DE102012009288A1 - Internal combustion engine for passenger car, has electrically operated compressor and exhaust gas turbocharger which is provided with various shaped turbines - Google Patents

Internal combustion engine for passenger car, has electrically operated compressor and exhaust gas turbocharger which is provided with various shaped turbines Download PDF

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Abstract

The engine (10) has a main portion that is provided with an exhaust gas turbocharger and an electrically operated compressor (32). The exhaust gas turbocharger is provided with various shaped turbines. The compressor is connected to a voltage source with an electrical voltage range between 10V to 15V. The compressor is connected to absorbent glass mat (AGM) battery as voltage source. An independent claim is included for a method for operating internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem elektrisch betriebenen Verdichter sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine having an exhaust gas turbocharger and an electrically operated compressor and a method for operating such an internal combustion engine.

Zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen können Ladesysteme eingesetzt werden, die durch eine Druckerhöhung im Ansaugsystem der Brennkraftmaschine für eine erhöhte Füllung der Brennräume mit Ladeluft sorgen. Häufig werden dabei sogenannte Abgasturbolader verwendet, die aus einer Turbine sowie einem damit über eine Welle verbundenen Verdichter bestehen. Die Turbine ist dabei in das Abgassystem der Brennkraftmaschine integriert und wird somit von dem aus einem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine austretenden Abgas durchströmt, wobei dieses entspannt wird und einen Teil seiner Strömungsenergie auf die Turbine übertragt. Dies führt zu einer Drehbewegung eines Rotors der Turbine, die über eine Welle auf den Verdichter übertragen wird. Der Verdichter ist in das Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine integriert und sorgt für eine Verdichtung der dem Verbrennungsmotor der Brennkraftmaschine zugeführten Ladeluft.To increase the performance of internal combustion engines charging systems can be used, which provide an increase in pressure in the intake of the engine for increased filling of the combustion chambers with charge air. Often, so-called exhaust gas turbochargers are used, which consist of a turbine and a compressor connected thereto via a shaft. The turbine is integrated into the exhaust system of the internal combustion engine and is thus flowed through by the exiting an internal combustion engine of the internal combustion engine exhaust gas, which is relaxed and transmits part of its flow energy to the turbine. This leads to a rotational movement of a rotor of the turbine, which is transmitted via a shaft to the compressor. The compressor is integrated in the charge air system of the internal combustion engine and ensures compression of the internal combustion engine of the engine supplied charge air.

Ein prinzipieller Nachteil von Abgasturboladern liegt darin, dass diese für ihre Funktion einen ausreichend großen Abgasmassenstrom benötigen, ohne den keine relevante Verdichtungsleistung und somit auch nicht die gewünschte Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine erreicht werden kann. Wird beispielsweise aus einem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine, bei der diese mit einer niedrigen Last und somit auch mit einem niedrigen Abgasmassenstrom betrieben wird, plötzlich eine hohe Last angefordert, so vergehen zunächst einige Arbeitsspiele, bevor der durch die erhöhte Last erzeugte größere Abgasstrom den Abgasturbolader beschleunigt hat und dadurch die gewünschte Verdichtungsleistung bereitstellt. Diese Verzögerung bei der Leistungsentfaltung wird häufig auch als „Turboloch” bezeichnet.A principal disadvantage of exhaust gas turbochargers is that they require a sufficiently large exhaust gas mass flow for their function, without no relevant compression performance and thus not the desired increase in performance of the internal combustion engine can be achieved. If, for example, a high load is suddenly requested from an operating point of the internal combustion engine in which it is operated with a low load and thus also with a low exhaust gas mass flow, then some work cycles pass before the larger exhaust gas flow generated by the increased load has accelerated the exhaust gas turbocharger and thereby provides the desired compaction performance. This delay in power delivery is often referred to as a "turbo lag".

Um dieses Turboloch ausreichend klein zu halten, d. h. ein gutes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine zu erreichen, werden die Turbinen von Abgasturboladern. die eine feste Turbinengeometrie haben, daher regelmäßig so ausgelegt, dass sie auch bei einem geringen Abgasmassenstrom eine relativ hohe Verdichterleistung erzeugen. Dies erfordert jedoch eine Geometrie der Turbinenschaufeln, die eine relativ hohe Drosselwirkung bewirkt. Diese relativ hohe Drosselwirkung ermöglicht zwar die hohe Leistung der Turbine, verhindert jedoch gleichzeitig einen ausreichend hohen Durchsatz des Abgases, sofern bei hohen Drehzahlen und Lasten der Brennkraftmaschine ein großer Abgasmassenstrom erzeugt wird. Dadurch steigt der Abgasgegendruck, der die Verbrennungsprozesse in der Brennkraftmaschine negativ beeinflusst. In der Regel werden Abgasturbolader mit fester Turbinengeometrie daher mit einem Bypass (ein sogenanntes „Wastegate”) versehen, über den ein Teil des Abgasmassenstroms geleitet werden kann, um einen ausreichend hohen Durchsatz sicher zu stellen.To keep this turbo lag sufficiently small, d. H. To achieve a good response of the internal combustion engine, the turbines of exhaust gas turbochargers. which have a fixed turbine geometry, therefore regularly designed so that they produce a relatively high compressor power even at a low exhaust gas mass flow. However, this requires a geometry of the turbine blades that causes a relatively high throttle effect. Although this relatively high throttle effect allows the high performance of the turbine, but at the same time prevents a sufficiently high flow rate of the exhaust gas, if at high speeds and loads of the internal combustion engine, a large exhaust gas mass flow is generated. As a result, the exhaust gas counterpressure increases, which adversely affects the combustion processes in the internal combustion engine. As a rule, exhaust gas turbochargers with fixed turbine geometry are therefore provided with a bypass (a so-called "wastegate"), via which part of the exhaust gas mass flow can be conducted in order to ensure a sufficiently high throughput.

Um die Ausbildung eines Turbolochs möglichst zu vermeiden, wurden Abgasturbolader entwickelt, bei denen den Turbinenschaufeln vorgeschaltete Leitschaufeln verstellbar ausgeführt sind. Derartige Turbolader werden auch als VTG-Abgasturbolader (VTG: Variable Turbinengeometrie) bezeichnet. Bei diesen können die Leitschaufeln hinsichtlich des Winkels, unter dem das Abgas die Turbinenschaufeln anströmt, verstellt werden, wobei bei einem vergleichsweise großen Anströmwinkel die Drosselwirkung, d. h. der Druckabfall über der Turbine relativ groß ist. Dann kann auch bei einem relativ kleinen Abgasmassenstrom eine relativ hohe Verdichterleistung erzielt werden. Bei einem größer werdenden Abgasmassenstrom werden dann die Leitschaufeln in Richtung eines kleinen Anströmwinkels verstellt, wodurch sowohl eine ausreichend hohe Verdichterleistung als auch ein ausreichend hoher Durchsatz des Abgases durch die Turbine sicher gestellt werden kann. Auf den Einsatz eines Bypasses kann dadurch grundsätzlich verzichtet werden.To avoid the formation of a turbo lag as possible, exhaust gas turbochargers have been developed in which the turbine blades upstream vanes are made adjustable. Such turbochargers are also referred to as VTG turbochargers (VTG: Variable Turbine Geometry). In these, the guide vanes can be adjusted with respect to the angle at which the exhaust gas flows against the turbine blades, wherein at a comparatively large angle of attack, the throttle effect, ie. H. the pressure drop across the turbine is relatively large. Then, even with a relatively small exhaust gas mass flow, a relatively high compressor performance can be achieved. With an increasing exhaust gas mass flow then the vanes are adjusted in the direction of a small angle of attack, whereby both a sufficiently high compressor power and a sufficiently high flow rate of the exhaust gas can be ensured by the turbine. In principle, the use of a bypass can be dispensed with.

Derzeit werden VTG-Abgasturbolader fast ausschließlich bei Dieselmotoren eingesetzt. Ein Einsatz bei Ottomotoren ist lediglich in Einzelfällen vorgesehen, was insbesondere in den hohen Temperaturen des von Ottomotoren erzeugten Abgases begründet ist, die einen erheblichen konstruktiven und insbesondere werkstofftechnischen Aufwand erforderlich machen, um die Verstelleinrichtung des VTG-Abgasturboladers ausreichend temperaturfest zu machen. Der Einsatz von VTG-Abgasturboladern bei Ottomotoren verspricht jedoch eine großes Potenzial.At present, VTG exhaust gas turbochargers are used almost exclusively in diesel engines. Use in gasoline engines is provided only in individual cases, which is due in particular to the high temperatures of the exhaust gas generated by gasoline engines, which make a considerable constructive and material-technical effort required to make the adjustment of the VTG exhaust gas turbocharger sufficiently temperature resistant. However, the use of VTG exhaust gas turbochargers in gasoline engines promises great potential.

Bei Anwendung der VTG-Technologie gibt es zunächst zwei Möglichkeiten: Zum einen das „Low-End-Torque” (LET), d. h. das Ansprechverhalten bei niedrigen Drehzahlen und Lasten des Motors gegenüber einem Abgasturbolader mit fester Turbinengeometrie deutlich zu verbessern oder aber zum anderen – zwecks deutlicher Leistungssteigerung gegenüber einem solchen Abgasturbolader – einen größeren (VTG-)Abgasturbolader verwenden zu können, wobei der Motor dank der VTG-Technik über ein vergleichsbares LET verfügt. Speziell im ersten Fall lassen sich schon bei niedrigen Drehzahlen sehr hohe Aufladegrade realisieren. Für solche Anwendungen sind VTG-Abgasturbolader, die zusätzlich über ein Wastegate verfügen, besonders geeignet, da sie gut auf den unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors optimiert werden können.There are two options when using VTG technology: Firstly, the "low-end torque" (LET), d. H. the response at low speeds and loads of the engine compared to a turbocharger with fixed turbine geometry to improve significantly or on the other - for the purpose of significant performance increase over such an exhaust gas turbocharger - to use a larger (VTG) exhaust gas turbocharger, the engine thanks to the VTG technology has a comparable LET. Especially in the first case, very high charging levels can be achieved even at low speeds. For such applications, VTG exhaust gas turbochargers, which additionally have a wastegate, are particularly suitable because they can be well optimized for the lower engine speed range.

Die großen Vorteile im stationären Betrieb der VTG-Abgasturbolader an einem Ottomotor sind vor allem auf das sehr günstige Druckgefälle über dem Zylinderkopf, das sogenannte Spülgefälle; zurückzuführen. Durch die Variabilität der Geometrie der Turbine können hohe Ladedrücke mit geringen Gegendrücken vor der Turbine realisiert werden. Hierdurch wird eine sehr gute Restgasausspülung im gesamten aufgeladenen Betriebsbereich der Brennkraftmaschine unterstützt, was in der Folge zu sehr günstigen Verbrennungsparametern führt. Diese Vorteile im stationären Betrieb kehren sich im dynamischen (transienten) Betrieb jedoch in ihr Gegenteil um. Da ein VTG-Abgasturbolader in der Regel immer etwas größer ausgelegt wird als ein Abgasturbolader mit fester Turbinengeometrie (um die oben beschriebenen Vorteile zu realisieren), sollte im transienten, d. h. instationären bzw. dynamischen Betrieb der Anströmwinkel der Turbinenschaufeln relativ groß vorgesehen werden. Das dadurch erzeugte, für das gute Ansprechverhalten verantwortliche hohe Turbinendruckverhältnis wirkt sich allerdings negativ auf das Spülgefälle aus. Das Spülgefälle im transienten Betrieb ist also systembedingt in der Regel deutlich schlechter als im stationären Betrieb. Hierdurch wird die Restgasausspülung der Brennräume verschlechtert, was zu einem verzögertem Ansprechverhalten führt, das zudem subjektiv häufig als unharmonisch empfunden wird. The major advantages in stationary operation of the VTG turbocharger on a gasoline engine are mainly due to the very favorable pressure gradient across the cylinder head, the so-called scavenging gradient; due. Due to the variability of the geometry of the turbine high charge pressures can be realized with low back pressures in front of the turbine. As a result, a very good Restgasausspülung is supported in the entire charged operating range of the internal combustion engine, resulting in the consequence of very favorable combustion parameters. However, these advantages in steady-state operation turn into their opposite in dynamic (transient) operation. Since a VTG exhaust gas turbocharger usually always designed slightly larger than an exhaust gas turbocharger with fixed turbine geometry (to realize the advantages described above), should be provided relatively large in transient, ie transient or dynamic operation, the angle of attack of the turbine blades. The thus generated, responsible for the good response high turbine pressure ratio, however, has a negative effect on the scavenging gradient. The purging gradient in transient operation is therefore generally much worse than in stationary operation due to the system. As a result, the Restgasausspülung the combustion chambers is deteriorated, resulting in a delayed response, which is also subjectively often perceived as inharmonious.

Als Alternative zur Verwendung eines VTG-Abgasturboladers wurde auch vorgeschlagen, einen Abgasturbolader mit fester Turbinengeometrie mit einem zusätzlichen Verdichter zu kombinieren, der nicht durch den Abgasstrom der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen mechanisch angetriebenen Verdichter (Kompressor) oder auch um einen elektrisch angetriebenen Verdichter, einen so genannten E-Booster, handeln. Der wesentliche Vorteil eines E-Boosters liegt dabei in der Möglichkeit, diesen unabhängig von dem jeweiligen Betriebszustand der Brennkraftmaschine anzutreiben. Es kann somit vorgesehen sein, den E-Booster mit relativ hoher Leistung in einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu betreiben, in der diese mit relativ geringer Last und somit mit einem geringen Abgasstrom betrieben wird. Der E-Booster kann dann das infolge des kleinen Abgasmassenstroms vorhandene Leistungsdefizit des Abgasturboladers kompensieren. Eine entsprechende Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 101 59 801 A1 bekannt.As an alternative to using a VTG exhaust gas turbocharger, it has also been proposed to combine an exhaust turbocharger with fixed turbine geometry with an additional compressor which is not driven by the exhaust gas flow of the internal combustion engine. This may be, for example, a mechanically driven compressor (compressor) or even an electrically driven compressor, a so-called e-booster act. The main advantage of an e-booster lies in the ability to drive this regardless of the operating condition of the internal combustion engine. It can thus be provided to operate the e-booster with relatively high power in an operating state of the internal combustion engine in which it is operated with relatively low load and thus with a low exhaust gas flow. The e-booster can then compensate for the existing due to the small exhaust gas mass flow power deficit of the exhaust gas turbocharger. A corresponding internal combustion engine is for example from the DE 101 59 801 A1 known.

Derartige, einen Abgasturbolader sowie einen E-Booster kombinierende Brennkraftmaschinen haben bislang jedoch keinen Eingang in die Serienfertigung von Kraftfahrzeugen gefunden. Dies liegt insbesondere daran, dass der E-Booster sehr leistungsfähig ausgebildet sein muss, um sinnvoll mit dem Abgasturbolader kombiniert zu werden. Hierzu ist es insbesondere erforderlich, dass dieser innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne eine ausreichend hohe Verdichterleistung bereitstellen muss und diese Verdichterleistung zudem relativ häufig und über einen relativ langen Zeitraum angefordert wird.Such, an exhaust gas turbocharger and an e-booster combining internal combustion engines have so far found no input into the mass production of motor vehicles. This is due in particular to the fact that the e-booster must be designed to be very powerful in order to be meaningfully combined with the exhaust gas turbocharger. For this purpose, it is particularly necessary that this must provide a sufficiently high compressor performance within a very short period of time and this compressor performance is also required relatively frequently and over a relatively long period.

Die Integration von solch leistungsfähigen E-Boostern in das bei Personenkraftwagen vorhandene, mit einer Spannung von 12 Volt betriebene elektrische-Bordnetz ist nicht oder nur unter einem unverhältnismäßig großen Aufwand möglich, beispielsweise unter Einsatz einer besonders leistungsfähigen Batterie: Die von einem E-Booster angeforderte elektrische Leistung, typischerweise größer als 2 kW, ist für ein konventionelles 12 V-Bordnetz sehr hoch. Die auftretenden Ströme übersteigen teilweise, insbesondere temporär deutlich 150 A, so dass ein Spannungseinbruch im Bordnetz entsteht. Spannungseinbrüche sind jedoch unbedingt zu vermeiden, da dabei unter anderem sicherheitsrelevante Bauteile, wie zum Beispiel eine elektrische Lenkhilfe, betroffen sein können. Um einen unzulässigen Spannungseinbruch verhindern zu können, kann beispielsweise ein zusätzlicher Kondensator (zum Beispiel ein Ultracap) oder eine hochwertige Batterie (zum Beispiel eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickel-Metalhydrid-Batterie) inklusive Trennschalter in das Bordnetz integriert werden. Diese Technologien sind jedoch zum einen relativ teuer und zum anderen nur schwer im vorhandenen Bauraum des Vorderwagens eines konventionellen Personenkraftwagens zu integrieren.The integration of such powerful e-Boosters in existing in passenger cars, powered by a voltage of 12 volts electrical system is not possible or only at a disproportionate expense, for example, using a particularly powerful battery: The requested by an e-booster Electrical power, typically greater than 2 kW, is very high for a conventional 12 V electrical system. The occurring currents exceed partially, in particular temporarily significantly 150 A, so that a voltage dip occurs in the electrical system. Voltage dips, however, must be avoided at all costs since, among other things, safety-related components such as an electric power steering system may be affected. In order to prevent an inadmissible voltage dip, for example, an additional capacitor (for example, an Ultracap) or a high-quality battery (for example, a lithium-ion battery or a nickel-metal hydride battery) including disconnectors can be integrated into the electrical system. However, these technologies are on the one hand relatively expensive and on the other hand difficult to integrate in the existing space of the front of a conventional passenger car.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einem elektrisch betriebenen Verdichter und/oder ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei der Verdichter mit einer Spannungsquelle in einem elektrischen Bordnetz ohne ergänzende, durch einen Trennschalter elektrisch abtrennbare kapazitive Bauteile betreibbar ist.Based on this prior art, the present invention seeks to provide an internal combustion engine with an electrically operated compressor and / or a method for operating such an internal combustion engine, wherein the compressor with a voltage source in an electrical system without complementary, by a circuit breaker electrically separable capacitive components is operable.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.This object is solved by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention and the method according to the invention are the subject of the respective dependent claims and will become apparent from the following description of the invention.

Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch die Kombination eines Abgasturboladers mit einer variablen Turbinengeometrie mit einem elektrisch betriebenen Verdichter, einem so genannten E-Booster, eine Brennkraftmaschine bereitgestellt werden kann, die ein sehr harmonisches transientes Verhalten aufweist, wobei gleichzeitig der elektrische Verdichter nur so selten zum Einsatz kommen muss, dass ohne wesentlichen Aufwand auch ein Einsatz bei Kraftfahrzeugen mit dem derzeit standardmäßig verbauten Bordnetz, insbesondere mit einer elektrischen Spannung von 12 Volt, erfolgen kann.Surprisingly, it has been found that the combination of an exhaust gas turbocharger with a variable turbine geometry with an electrically operated compressor, a so-called e-booster, an internal combustion engine can be provided which has a very harmonious transient behavior, at the same time the electric compressor only so rarely for Use must come, that without substantial expenditure also a use in motor vehicles with the currently installed standard electrical system, in particular with an electrical voltage of 12 volts, can be done.

Eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine weist demnach einen Abgasturbolader sowie einen elektrisch betriebenen Verdichter auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie ausgebildet ist.An internal combustion engine according to the invention accordingly has an exhaust gas turbocharger and an electrically operated compressor and is characterized in that the exhaust gas turbocharger is designed with a variable turbine geometry.

Insbesondere kann die Brennkraftmaschine einen Verbrennungsmotor mit mindestens einem Zylinder aufweisen, in dem ein Kolben in längsaxialer Richtung beweglich geführt ist. Ein Gemisch aus einem Kraftstoff und Ladeluft (d. h. einem Sauerstoff enthaltenden Gas, in der Regel Luft) wird in einem Brennraum des Zylinders verbrannt und einer Abgasanlage zugeführt. In diese Abgasanlage kann eine Turbine des Abgasturboladers integriert sein. Die Turbine wird durch das durch sie hindurch strömende Abgas rotierend angetrieben. Die Rotationsbewegung der Turbine wird auf einen Verdichter des Abgasturboladers übertragen, der in ein Ladeluftsystem der Brennkraftmaschine integriert sein kann. In das Ladeluftsystem ist erfindungsgemäß zusätzlich ein elektrisch betriebener Verdichter integriert. Die Ladeluft wird von dem Verdichter des Abgasturboladers und/oder dem elektrischen Verdichter verdichtet und dann dem Zylinder des Verbrennungsmotor zugeführt.In particular, the internal combustion engine may have an internal combustion engine with at least one cylinder, in which a piston is movably guided in the longitudinal axial direction. A mixture of a fuel and charge air (i.e., an oxygen-containing gas, typically air) is burned in a combustion chamber of the cylinder and supplied to an exhaust system. In this exhaust system, a turbine of the exhaust gas turbocharger can be integrated. The turbine is driven in rotation by the exhaust gas flowing through it. The rotational movement of the turbine is transferred to a compressor of the exhaust gas turbocharger, which may be integrated into a charge air system of the internal combustion engine. In the charge air system according to the invention, an electrically operated compressor is additionally integrated. The charge air is compressed by the compressor of the exhaust gas turbocharger and / or the electric compressor and then fed to the cylinder of the internal combustion engine.

Unter einem Abgasturbolader mit einer „variablen Turbinengeometrie” (VTG-Abgasturbolader) wird erfindungsgemäß ein Abgasturbolader verstanden, dessen Turbinendruckverhältnis – unabhängig von einer Änderung des Abgasmassenstroms – durch eine definierte Änderung der Durchströmungsgeometrie veränderbar ist. Vorzugsweise kann ein solcher Abgasturbolader zumindest eine Turbinen mit verstellbaren Leitschaufeln aufweisen, wobei der Anströmwinkel, unter dem die einzelnen Leitschaufeln von dem Abgas angeströmt werden, verstellbar ist.Under an exhaust gas turbocharger with a "variable turbine geometry" (VTG exhaust gas turbocharger) is understood according to the invention an exhaust gas turbocharger, the turbine pressure ratio - regardless of a change in the exhaust gas mass flow - by a defined change in the flow geometry is variable. Such an exhaust-gas turbocharger may preferably have at least one turbine with adjustable guide vanes, wherein the angle of inflow, under which the individual guide vanes are impinged by the exhaust gas, is adjustable.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter ausschließlich im transienten Betrieb (und insbesondere bei einer plötzlichen Lastanforderung aus einem durch eine geringe Lastanforderung gekennzeichneten Betriebszustand der Brennkraftmaschine heraus) zugeschaltet wird und vorzugsweise sofort wieder abgeschaltet und – weiter bevorzugt – (durch beispielsweise einen Bypass) umgangen wird, sobald durch den Abgasturbolader selbst ein ausreichendes Spülgefällte erreicht werden kann. Dabei wird in vorteilhafter Weise ein gutes transientes Ansprechverhalten erreicht.The method according to the invention for operating an internal combustion engine according to the invention is characterized in that the compressor is switched on exclusively in transient operation (and in particular in the case of a sudden load request from an operating state of the internal combustion engine characterized by a low load requirement) and preferably switched off again immediately and, more preferably, Is bypassed (by, for example, a bypass), as soon as the exhaust gas turbocharger even a sufficient Spülgefällte can be achieved. In this case, a good transient response is achieved in an advantageous manner.

Unter einem „Spülgefälle” wird das Verhältnis von dem Druck der Ladeluft und dem Abgasdruck vor der Turbine des Abgasturboladers verstanden. Dieses Spülgefälle beeinflusst maßgeblich die Restgasausspülung des/der Zylinder des Verbrennungsmotors und damit das transiente Verhalten der Brennkraftmaschine. Als „ausreichend hoch” kann ein Spülgefälle angesehen werden, dass eine Restgasausspülung ermöglicht, bei der nicht mehr als 10% und vorzugsweise nicht mehr als 5% Restgas in den Zylindern verbleibt.A "purging gradient" is understood to mean the ratio of the pressure of the charge air and the exhaust gas pressure upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger. This purging gradient significantly influences the residual gas purging of the cylinder (s) of the internal combustion engine and thus the transient behavior of the internal combustion engine. As a "sufficiently high", a purging gradient can be considered that allows a residual gas purging, in which no more than 10% and preferably not more than 5% residual gas remains in the cylinders.

Die Kombination eines VTG-Abgasturboladers mit einem elektrischen Verdichter ermöglicht auch – wie dies aus dem Stand der Technik für VTG-Abgasturbolader bekannt ist – bei einer zusätzlichen Lastanforderung aus einem durch eine geringe Last gekennzeichneten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine heraus die Turbine des Abgasturboladers in Richtung eines hohen Turbinendruckverhältnisses zu verstellen, ohne die damit ansonsten, d. h. bei einem VTG-Abgasturbolader ohne erfindungsgemäße Unterstützung durch einen elektrischen Verdichter, verbundenen Nachteile und insbesondere die schlechte Restgasausspülung und das damit einhergehende, als unharmonisch empfundene transiente Verhalten der Brennkraftmaschine in Kauf nehmen zu müssen. Vielmehr wird eine schlechte Restgasausspülung durch den elektrischen Verdichter und der von diesem erzeugten Druckerhöhung auf der Ladeluftseite der Brennkraftmaschine verhindert. Sobald der VTG-Abgasturbolader dagegen selbst wieder ein günstiges Spülgefälle sicherstellen kann, kann der elektrische Verdichter abgeschaltet werden und dann vorzugsweise durch einen Bypass umgangen werden. Im Ergebnis können hierdurch sehr geringe Einschaltzeiten des elektrischen Verdichters erreicht werden, wodurch dieser auch unter relativ geringem Aufwand in Kraftfahrzeuge mit einem elektrischen 12 V-Bordnetz integriert werden kann.The combination of a VTG exhaust gas turbocharger with an electric compressor also allows - as is known from the prior art for VTG turbocharger - at an additional load request from a characterized by a low load operating point of the internal combustion engine, the turbine of the exhaust gas turbocharger in the direction of a high Turbine pressure ratio to adjust without the otherwise, d. H. in a VTG exhaust gas turbocharger without support according to the invention by an electric compressor, associated disadvantages and in particular the poor residual gas purging and the concomitant, perceived as inharmonious transient behavior of the internal combustion engine to accept. Rather, a poor Restgasausspülung is prevented by the electric compressor and the pressure increase generated by this on the charge air side of the internal combustion engine. On the other hand, as soon as the VTG turbocharger itself can again ensure a favorable flushing gradient, the electric compressor can be switched off and then preferably bypassed by a bypass. As a result, this very low turn-on of the electric compressor can be achieved, whereby this can be integrated with relatively little effort in motor vehicles with an electrical 12 V electrical system.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist demnach auch vorgesehen, den Verdichter an eine Spannungsquelle mit einer elektrischen Spannung von 10 V bis 15 V und insbesondere 12 V bis 14 V und besonders bevorzugt von ca. 12 V anzuschließen. Insbesondere kann der Verdichter an eine Spannungsquelle in einem Bordnetz ohne zusätzliche ohne ergänzende, durch einen Trennschalter elektrisch abtrennbare kapazitive Bauteile angeschlossen sein.In a preferred embodiment of the internal combustion engine according to the invention is therefore also provided to connect the compressor to a voltage source with an electrical voltage of 10 V to 15 V and in particular 12 V to 14 V and more preferably of about 12 V. In particular, the compressor can be connected to a voltage source in a vehicle electrical system without additional without complementary, can be electrically separated by a circuit breaker capacitive components.

Bei der Spannungsquelle kann es sich bevorzugt um einen Bleiakkumulator, insbesondere einen konventionellen nassen Bleiakkumulator handeln. Der Bleiakkumulator weist bevorzugt eine Kapazität von größer oder gleich 20 Ah auf.The voltage source may preferably be a lead-acid battery, in particular a conventional wet lead-acid battery. The lead-acid battery preferably has a capacity of greater than or equal to 20 Ah.

Durch den E-Booster Betrieb erhöht sich jedoch auch der Energiedurchsatz durch die Batterie. Um trotz des erhöhten Energiedurchsatzes die Lebensdauer der Batterie sicherstellen zu können, ist es besonders bevorzugt, eine spezielle Bauform des Bleiakkumulators zum Einsatz zu bringen: Eine Absorbent-Glas-Mat Batterie (AGM-Batterie). Derartige Batterien werden zum Beispiel in Personenkraftwagen mit Start-Stopp-Systemen verbaut.However, the e-booster operation also increases the energy throughput through the battery. In order to ensure the life of the battery despite the increased energy throughput, it is particularly preferred to use a special design of the lead-acid battery: an Absorbent-glass-Mat battery (AGM battery). Such batteries are installed, for example, in passenger cars with start-stop systems.

Weiterhin kann die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine einen den Verdichter umgehenden Bypass aufweisen. Dieser Bypass ist vorzugsweise schaltbar, d. h. der Anteil der über den Bypass geführten Ladeluft ist – vorzugsweise zwischen 0% und 100% – regelbar.Furthermore, the internal combustion engine according to the invention may have a bypass bypassing the compressor. This bypass is preferably switchable, d. H. the proportion of the charge air conducted via the bypass can be regulated, preferably between 0% and 100%.

Unabhängig von der Möglichkeit, die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch in einem Kraftfahrzeug mit einem 12 V-Bordnetz zu realisieren, können die Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch bei solchen Kraftfahrzeugen, die eine höhere Bordnetzspannung (beispielsweise Hybridfahrzeuge, d. h. eine Brennkraftmaschine und einen elektrischen Fahrantrieb kombinierende Fahrzeuge) aufweisen, ausgenutzt werden. Je höher die Bordspannung ist, desto stärker kann grundsätzlich auch die Unterstützung des elektrischen Verdichters gestaltet werden, wodurch im Ergebnis wiederum der VTG-Abgasturbolader größer ausgelegt werden kann. Dadurch kann die durch den Abgasturbolader an sich erreichte Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine weiter erhöht werden. Beispielsweise kann bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, die mit einem elektrischen System mit relativ kleiner Kapazität integriert ist, ein elektrischer Verdichter mit einem VTG-Abgasturbolader kombiniert werden, wobei der VTG-Abgasturbolader zusätzlich ein Wastegate aufweist. Bei einer Kombination mit einem elektrischen System mit höherer Kapazität kann dagegen ein leistungsfähigerer elektrischer Verdichter mit einem VTG-Abgasturbolader ohne Wastegate kombiniert werden.Regardless of the possibility of realizing the internal combustion engine according to the invention in a motor vehicle with a 12 V electrical system, the advantages of the internal combustion engine according to the invention also in such vehicles, the higher vehicle electrical system voltage (for example, hybrid vehicles, ie, an internal combustion engine and an electric traction drive combining vehicles) exhibit, be exploited. The higher the on-board voltage, the stronger the support of the electric compressor can in principle be configured, as a result of which in turn the VTG turbocharger can be made larger. As a result, the performance increase of the internal combustion engine achieved by the exhaust-gas turbocharger can be further increased. For example, in an internal combustion engine according to the invention, which is integrated with an electrical system having a relatively small capacity, an electric compressor can be combined with a VTG exhaust gas turbocharger, wherein the VTG exhaust gas turbocharger additionally has a wastegate. When combined with a higher capacity electrical system, on the other hand, a more powerful electric compressor can be combined with a VTG turbocharger without wastegate.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Kombination eines VTG-Abgasturboladers mit einem elektrischen Verdichter bei einer Brennkraftmaschine vorgesehen, die nach dem Otto-Prinzip betrieben wird.Preferably, the inventive combination of a VTG exhaust gas turbocharger with an electric compressor is provided in an internal combustion engine, which is operated according to the Otto principle.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment shown in the drawing. In the drawing shows:

1: eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in einer schematischen Darstellung. 1 : an internal combustion engine according to the invention in a schematic representation.

Die 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine umfasst einen vierzylindrigen Verbrennungsmotor 10. In den vier Zylindern 12 des Verbrennungsmotors 10 wird ein Gemisch aus Kraftstoff und Luft verbrannt. Die dabei entstehenden Abgase werden über eine Turbine 14 eines in einen Abgasstrang der Brennkraftmaschine integrierten Abgasturboladers geleitet, wo diese entspannt werden, wobei Energie auf einen Rotor der Turbine 14 übertragen wird, um diesen rotierend anzutreiben. Die Turbine 14 des Abgasturboladers ist mit einer variablen Turbinengeometrie versehen, so dass durch einen nicht dargestellten Aktuator, der vorzugsweise elektrisch (alternativ beispielsweise auch pneumatisch) betrieben ist, eine Verstellung von Leitschaufeln der Turbine erfolgen kann, um das Turbinendruckverhältnis, d. h. das Verhältnis des Abgasdrucks vor und hinter der Turbine, aktiv zu beeinflussen. Weiterhin ist ein Wastegate 16, d. h. ein die Turbine umgehender (erster) Bypass vorgesehen. Über ein elektrisch ansteuerbares Ventil 18 kann der Durchsatz des Abgases über das Wastegate 16 in beliebigen Werten zwischen 0% und 100% geregelt werden. Nachdem das Abgas die Turbine 14 des Abgasturboladers bzw. das Wastegate 16 durchströmt hat, wird dieses einer Abgasanlage des Abgasstrangs zugeführt, von der in der 1 lediglich ein Vorkatalysator 20 dargestellt ist. Über die Abgasanlage wird das Abgas dann in die Atmosphäre ausgeblasen.The 1 shows a schematic representation of an embodiment of an internal combustion engine according to the invention. The internal combustion engine comprises a four-cylinder internal combustion engine 10 , In the four cylinders 12 of the internal combustion engine 10 a mixture of fuel and air is burned. The resulting exhaust gases are via a turbine 14 passed an exhaust gas turbocharger integrated in an exhaust line of the internal combustion engine, where they are relaxed, with energy to a rotor of the turbine 14 is transmitted to drive this rotating. The turbine 14 of the exhaust gas turbocharger is provided with a variable turbine geometry, so that by an actuator, which is preferably not electrically operated (alternatively, for example, pneumatic), can be carried out an adjustment of vanes of the turbine to the turbine pressure ratio, ie the ratio of the exhaust pressure before and behind the turbine to actively influence. Furthermore, there is a wastegate 16 , ie a turbine bypassing (first) bypass provided. Via an electrically controllable valve 18 can the flow rate of exhaust gas through the wastegate 16 be regulated in any values between 0% and 100%. After the exhaust the turbine 14 the exhaust gas turbocharger or the wastegate 16 has passed through, this is supplied to an exhaust system of the exhaust system, of the in the 1 only a precatalyst 20 is shown. The exhaust gas is then blown into the atmosphere via the exhaust system.

Der Rotor der Turbine 14 des Abgasturboladers ist über eine Welle 22 mit einem Laufrad eines Verdichters 24 des Abgasturboladers verbunden. Über diesen Verdichter 24 wird von dem Verbrennungsmotor 10 angesaugte Luft (Ladeluft) vorverdichtet, wodurch eine höhere Füllung der Zylinder 12 und im Ergebnis eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors 10 erreicht werden soll. Optional kann vorgesehen sein, auch den Verdichter 24 des Abgasturboladers mit einem (zweiten) Bypass 26 zu versehen, wobei der Anteil der über den Bypass 26 geführten Luft über ein Ventil 28 regelbar ist.The rotor of the turbine 14 the exhaust gas turbocharger is over a shaft 22 with an impeller of a compressor 24 the exhaust gas turbocharger connected. About this compressor 24 is from the internal combustion engine 10 sucked air (charge air) pre-compressed, resulting in a higher filling of the cylinder 12 and as a result, a power increase of the internal combustion engine 10 should be achieved. Optionally, it can also be provided, including the compressor 24 the exhaust gas turbocharger with a (second) bypass 26 to provide, with the proportion of the over the bypass 26 guided air through a valve 28 is controllable.

In Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors 10, d. h. insbesondere der Drehzahl des Verbrennungsmotors 10 sowie der Menge des bei jedem Arbeitsspiel in die vier Zylinder 12 eingebrachten Kraftstoffs (d. h. der Last), wird die von dem Verdichter 24 des Abgasturboladers verdichtete Ladeluft entweder über einen elektrisch von einem regelbaren Elektromotor 30 angetriebenen Verdichter 32 oder einen (dritten) Bypass 34, in den eine Regelklappe 36 (d. h. ein Ventil) integriert ist, geführt. Dabei ist vorgesehen, die Ladeluft nur dann über den elektrischen Verdichter 32 zu führen (und diesen elektrisch anzutreiben), wenn aus einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors 10 mit niedriger Last heraus eine erhöhte Lastanforderung erfolgt. Als Regelgrößen hierfür kann/können insbesondere der Ist-Druck in einem hinter dem elektrischen Verdichter 32 bzw. dem Bypass 34 angeordneten Saugrohr, ein definierter, für den jeweiligen Betriebspunkt spezifischer Soll-Druck in dem Saugrohr und/oder alternative, die Lastanforderung des Verbrennungsmotors 10 beschreibende Größen, der Ist-Druck nach dem Verdichter 24 des Abgasturboladers und/oder nach dem elektrischen Verdichter 32, der Ist-Druck vor der Turbine 14 des Abgasturboladers und/oder geeignete Werte für eine Erkennung eines transienten Betriebszustands des Verbrennungsmotors 10, z. B. ein Farbpedalgradient und/oder die Differenz zwischen Ist- und Soll-Last des Verbrennungsmotors herangezogen werden. Hierbei kann auf einen, mehrere oder alle dieser Werte zurückgegriffen werden. Die Werte können dabei entweder durch geeignete Sensoren gemessen oder durch geeignete Modelle berechnet (d. h. modelliert) werden.Depending on the respective operating point of the internal combustion engine 10 , ie in particular the speed of the internal combustion engine 10 as well as the amount of each working cycle in the four cylinders 12 introduced fuel (ie the load), that of the compressor 24 the exhaust gas turbocharger compressed charge air either via an electrically from a controllable electric motor 30 driven compressor 32 or a (third) bypass 34 in which a control flap 36 (ie a valve) is integrated, guided. It is provided, the charge air only via the electric compressor 32 to lead (and to drive this electrically) when from an operating condition of the internal combustion engine 10 with low load out an increased load request. In particular, the actual pressure in one behind the electric compressor can / can be used as controlled variables 32 or the bypass 34 arranged suction pipe, a defined, specific for the respective operating point target pressure in the intake manifold and / or alternative, the load request of the internal combustion engine 10 descriptive quantities, the actual pressure after the compressor 24 the exhaust gas turbocharger and / or after the electric compressor 32 , the actual pressure in front of the turbine 14 the exhaust gas turbocharger and / or suitable values for detecting a transient operating state of the internal combustion engine 10 , z. B. a Farbpedalgradient and / or the difference between the actual and nominal load of the engine are used. Here, one, several or all of these values can be used. The values can either be measured by suitable sensors or calculated (ie modeled) by suitable models.

Durch die Unterstützung des Abgasturboladers, der infolge der zunächst geringen Last, mit der der Verbrennungsmotor 10 betrieben wird, nur eine entsprechend geringe Verdichterleistung bereitstellt, mittels des elektrischen Verdichters 32 kann eine verbesserte Restgasausspülung und als Folge davon ein harmonischeres transientes Verhalten des Verbrennungsmotors 10 erreicht werden.Due to the support of the turbocharger, due to the initially low load, with the internal combustion engine 10 is operated, only a correspondingly low compressor power provides, by means of the electric compressor 32 can an improved residual gas purging and as a result of a more harmonious transient behavior of the internal combustion engine 10 be achieved.

Sobald der Abgasturbolader aufgrund des durch die erhöhte Lastanforderung erhöhten Abgasmassenstroms für eine ausreichende Restgasausspülung sorgt, wird der elektrische Verdichter 32 wieder abgeschaltet und die Ladeluft über den Bypass 34 geführt, um einen Druckabfall über dem (abgeschalteten) elektrischen Verdichter 32 zu vermeiden.As soon as the exhaust gas turbocharger ensures sufficient residual gas purging due to the increased exhaust gas mass flow due to the increased load requirement, the electric compressor becomes 32 switched off again and the charge air via the bypass 34 led to a pressure drop across the (switched off) electric compressor 32 to avoid.

Die über den elektrischen Verdichter 32 oder den (dritten) Bypass 34 geführte Ladeluft wird dann über eine in das Saugrohr der Brennkraftmaschine integrierte Drosselklappe 38 sowie einen Ladeluftkühler 40 den einzelnen Zylindern 12 des Verbrennungsmotors 10 zugeführt. Der Ladeluftkühler 40 ist flüssigkeitsgekühlt, wobei die Kühlflüssigkeit von einer Pumpe 42 in einem Kreislauf zwischen dem Ladeluftkühler 40 sowie einem Kühler 44 für die Kühlflüssigkeit gefördert wird. Der Ladeluftkühler kann alternativ auch luftgekühlt sein.The over the electric compressor 32 or the (third) bypass 34 guided charge air is then via a built-in intake manifold of the internal combustion engine throttle 38 and a charge air cooler 40 the individual cylinders 12 of the internal combustion engine 10 fed. The intercooler 40 is liquid cooled, with the cooling liquid from a pump 42 in a circuit between the intercooler 40 as well as a cooler 44 is conveyed for the cooling liquid. The intercooler may alternatively be air cooled.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10159801 A1 [0009] DE 10159801 A1 [0009]

Claims (10)

Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader sowie einem elektrisch betriebenen Verdichter (32), dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader mit einer variablen Turbinengeometrie ausgebildet ist.Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an electrically operated compressor ( 32 ), characterized in that the exhaust gas turbocharger is formed with a variable turbine geometry. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (32) an eine Spannungsquelle mit einer elektrischen Spannung von 10 V bis 15 V angeschlossen ist.Internal combustion engine according to claim 1, characterized in that the compressor ( 32 ) is connected to a voltage source with a voltage of 10 V to 15 V. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Spannung von 12 V bis 14 V aufweist.Internal combustion engine according to claim 2, characterized in that the voltage source has a voltage of 12 V to 14 V. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch betriebene Verdichter an einen Bleiakkumulator als Spannungsquelle angeschlossen ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically operated compressor is connected to a lead-acid battery as a voltage source. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass der Bleiakkumulator eine Absorbent Glass Mat-Batterie istInternal combustion engine according to claim 4, characterized in that the lead-acid battery is an Absorbent Glass Mat battery Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese für einen Betrieb nach dem Otto-Prinzip ausgebildet ist.Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed for operation according to the Otto principle. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch ein den Verdichter (32) umgehenden Bypass (36).Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized by a compressor ( 32 ) immediate bypass ( 36 ). Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (32) ausschließlich im transienten Betrieb und vorzugsweise bei einer erhöhten Lastanforderung aus einem durch eine geringe Last gekennzeichneten Betriebszustand heraus zugeschaltet wird.Method for operating an internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the compressor ( 32 ) is switched on only in transient operation and preferably at an increased load request from a characterized by a low load operating condition out. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader während des Betriebs des Verdichter (32) in Richtung eines hohen Turbinendruckverhältnisses verstellt wird.A method according to claim 8, characterized in that the exhaust gas turbocharger during operation of the compressor ( 32 ) is adjusted in the direction of a high turbine pressure ratio. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (32) wieder abgeschaltet wird, sobald durch den Abgasturbolader ein ausreichend hohes Spülgefälle bereitgestellt werden kann.Method according to claim 8 or 9, characterized in that the compressor ( 32 ) is switched off again as soon as a sufficiently high scavenging gradient can be provided by the exhaust gas turbocharger.
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