AT522942A2 - COMBUSTION ENGINE - Google Patents

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AT522942A2
AT522942A2 ATA51097/2019A AT510972019A AT522942A2 AT 522942 A2 AT522942 A2 AT 522942A2 AT 510972019 A AT510972019 A AT 510972019A AT 522942 A2 AT522942 A2 AT 522942A2
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AT
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combustion engine
internal combustion
mass flow
turbine
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ATA51097/2019A
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Leichtfried Christoph
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Avl List Gmbh
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Abstract

Die Erfindung betrifft Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader, der eine Turbine (T) und einen Verdichter (v) aufweist, die über eine Welle (W) miteinander verbunden sind, wobei der Verdichter (V) über die Welle (W) mit einer elektrischen Maschine (E) verbunden ist und der Verdichter (V) mit einem Einlassstrang der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, sodass der Verdichter (V) die Brennkraftmaschine (1) mit verdichtetem Gas - insbesondere Luft – versorgt, wobei in der Verbindung zum Einlassstrang eine Bypassleitung (8) vorgesehen ist, die den Verdichter (V) mit dem Auslassstrang stromaufwärts der Turbine (T) verbindet, und in der ein Wärmetauscher (5) vorgesehen ist, der in einer Abgasanlage angeordnet ist und im Gegenstromprinzip vom Abgas durchströmt wird. Aufgabe ist es, den Wirkungsgrad (η) zu steigern. Das wird dadurch erreicht, dass in der Bypassleitung (8) ein Ventil (9) angeordnet ist, wobei mittels des Ventils (V) der Massenstrom ( ) durch die Turbine (T) regelbar oder steuerbar ist.The invention relates to an internal combustion engine (1) with an exhaust gas turbocharger, which has a turbine (T) and a compressor (v) which are connected to one another via a shaft (W), the compressor (V) being connected to a shaft (W) electrical machine (E) is connected and the compressor (V) is connected to an inlet line of the internal combustion engine (1) so that the compressor (V) supplies the internal combustion engine (1) with compressed gas - in particular air -, with the connection to the inlet line a bypass line (8) is provided which connects the compressor (V) with the outlet line upstream of the turbine (T), and in which a heat exchanger (5) is provided, which is arranged in an exhaust system and through which the exhaust gas flows according to the countercurrent principle. The task is to increase the efficiency (η). This is achieved in that a valve (9) is arranged in the bypass line (8), whereby the mass flow () through the turbine (T) can be regulated or controlled by means of the valve (V).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der eine Turbine und einen Verdichter aufweist, die über eine Welle miteinander verbunden sind, wobei der Verdichter über die Welle mit einer elektrischen Maschine verbunden ist und der Verdichter mit einem Einlassstrang der Brennkraftmaschine verbunden ist, sodass der Verdichter die Brennkraftmaschine mit verdichtetem Gas - insbesondere Luft - versorgt, wobei in der Verbindung zum Einlassstrang eine Bypassleitung vorgesehen ist, die den Verdichter mit dem Auslassstrang stromaufwärts der Turbine verbindet, und in der ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der in einer Abgasanlage angeordnet ist und - insbesondere im The invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, which has a turbine and a compressor which are connected to one another via a shaft, the compressor being connected to an electrical machine via the shaft and the compressor being connected to an inlet line of the internal combustion engine, so that the Compressor supplies the internal combustion engine with compressed gas, in particular air, with a bypass line being provided in the connection to the inlet line, which connects the compressor to the outlet line upstream of the turbine, and in which a heat exchanger is provided, which is arranged in an exhaust system and - especially in

Gegenstromprinzip - vom Abgas durchströmt wird. Countercurrent principle - the exhaust gas flows through it.

Unter Abgasturbolader versteht sich hier eine Anordnung von Turbine und Verdichter an einer gemeinsamen Welle. Zum Antrieb des Verdichters wird die Energie des Abgases in der Turbine des Abgasturboladers genutzt. An exhaust gas turbocharger is understood here to mean an arrangement of the turbine and compressor on a common shaft. The energy of the exhaust gas in the turbine of the exhaust gas turbocharger is used to drive the compressor.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus EP 3 078 824 A1 bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist in der Abgasanlage einen Wärmetauscher auf. Durch diesen Wärmetauscher wird Wärme von der Abwärme gewonnen, die die Brennkraftmaschine sonst ungenutzt mit dem Abgas verlässt. Der Wärmetauscher wird auf der warmen Seite von Abgas und auf der kalten Seite von verdichtetem Gas aus dem Einlassstrang durchströmt. Das verdichtete Gas wird dazu direkt vom Verdichter zur Turbine über den Wärmetauscher geleitet. Wärmetausch findet dabei mit dem Abgas stromabwärts wie stromaufwärts der Turbine mit dem verdichteten Gas statt. Such an internal combustion engine is known from EP 3 078 824 A1. This internal combustion engine has a heat exchanger in the exhaust system. This heat exchanger extracts heat from the waste heat that otherwise leaves the internal combustion engine unused with the exhaust gas. The heat exchanger is flowed through on the warm side by exhaust gas and on the cold side by compressed gas from the inlet branch. The compressed gas is fed directly from the compressor to the turbine via the heat exchanger. Heat exchange takes place with the exhaust gas both downstream and upstream of the turbine with the compressed gas.

Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass der Abgasturbolader nur für einen Betriebspunkt ausgelegt ist, in dem der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine maximal ist. Die optimalen Bedingungen zur Erreichung dieses Wirkungsgrads The disadvantage of this arrangement is that the exhaust gas turbocharger is designed only for one operating point at which the efficiency of the internal combustion engine is at its maximum. The optimal conditions for achieving this level of efficiency

werden jedoch nicht durchgehend erreicht. however, are not consistently achieved.

Die Effizienz der Brennkraftmaschine ist von großem Interesse, da dadurch The efficiency of the internal combustion engine is of great interest because it

Brennstoffverbrauch und Schadstoffausstoß verringert werden können. Fuel consumption and pollutant emissions can be reduced.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine effizientere Brennkraftmaschine The object of the present invention is a more efficient internal combustion engine

anzugeben. to specify.

Diese Aufgabe wird durch die obige Brennkraftmaschine und ein Fahrzeug mit einer derartigen Brennkraftmaschine erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Bypassleitung ein Ventil angeordnet ist, wobei mittels des Ventils der Massenstrom This object is achieved according to the invention by the above internal combustion engine and a vehicle with such an internal combustion engine in that a valve is arranged in the bypass line, with the mass flow by means of the valve

durch die Turbine regelbar oder steuerbar ist. can be regulated or controlled by the turbine.

Dadurch entsteht der Vorteil, dass der Massenstrom geregelt wird und dadurch Verdichter und Turbine im gemeinsamen optimalen Betriebspunkt arbeiten können. Beispielsweise kann bei transienten Vorgängen der Ladedruck möglichst schnell This has the advantage that the mass flow is regulated and thus the compressor and turbine can work at the same optimum operating point. For example, in the case of transient processes, the boost pressure can be increased as quickly as possible

aufgebaut werden. being constructed.

Ein weiterer Benefit dieser Anordnung ergibt sich schlicht dadurch, dass auch in besonders ungünstigen Betriebspunkten einem Rückstrom vom Auslassstrang entgegengewirkt werden kann. Dieser Rückstrom würde sich einstellen, wenn der Another benefit of this arrangement arises simply from the fact that a backflow from the outlet branch can be counteracted even in particularly unfavorable operating points. This reverse current would occur if the

Druck in der Abgasanlage den Druck im Einlassstrang übersteigt. Pressure in the exhaust system exceeds the pressure in the inlet branch.

Diese Aufgabe wird auch durch ein dazugehöriges Verfahren zum Betrieb einer derartigen Brennkraftmaschine gelöst. This object is also achieved by an associated method for operating such an internal combustion engine.

Dazu wird ein Kennfeld der Turbine hinterlegt, in dem jedem Druckverhältnis ein optimaler Massenstrom zugeordnet wird und das Ventil in der Bypassleitung wird dann geöffnet, wenn ein aktueller Massenstrom kleiner ist, als der optimale For this purpose, a map of the turbine is stored in which an optimal mass flow is assigned to each pressure ratio and the valve in the bypass line is opened when a current mass flow is less than the optimal one

Massenstrom. Mass flow.

Turbinen und Verdichter können durch diese Maßnahme in einem sehr engen Bereich in ihrem jeweiligen Kennfeld betrieben werden. Dadurch wird die Frage der Auslegung erleichtert. Der Betrieb im Bestpunkt ist durch das Ventil leicht möglich, da der Betriebspunkt im Kennfeld durch den Einfluss des Massenstroms einfach This measure enables turbines and compressors to be operated in a very narrow range in their respective characteristic field. This makes the question of interpretation easier. Operation at the best point is easily possible thanks to the valve, since the operating point in the map is simple due to the influence of the mass flow

entlang einer Linie des konstanten Druckverhältnisses verschoben werden kann. can be moved along a line of constant pressure ratio.

Um möglichst schnell auf die Anforderungen an der Turbine reagieren zu können, ist es günstig, wenn das Ventil in der Bypassleitung stromaufwärts des In order to be able to react as quickly as possible to the demands on the turbine, it is advantageous if the valve in the bypass line is upstream of the

Wärmetauschers angeordnet ist. Heat exchanger is arranged.

Es ist alternativ auch möglich, dass das Ventil in der Bypassleitung stromabwärts des Wärmetauschers angeordnet ist. Dies kann beispielsweise aufgrund der Alternatively, it is also possible for the valve to be arranged in the bypass line downstream of the heat exchanger. This can be due to the

Anforderungen an das Packaging des Gesamtfahrzeuges notwendig sein. Requirements for the packaging of the entire vehicle may be necessary.

Es ist günstig, wenn der Wärmetauscher stromabwärts der Turbine in der Abgasanlage angeordnet ist. Dadurch ist die Nutzung der Restwärme in der Abgasanlage optimal möglich. It is advantageous if the heat exchanger is arranged downstream of the turbine in the exhaust system. This makes optimal use of the residual heat in the exhaust system.

Zur möglichst zeitnahen und automatischen Steuerung oder Regelung des Ventils ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine Steuerungseinheit vorgesehen, in der ein Kennfeld der Turbine abgelegt ist und/oder abgelegt werden kann. Im dazugehörigen Verfahren ist dazu vorgesehen, dass in einem For the most timely and automatic control or regulation of the valve, an advantageous embodiment of the invention provides a control unit in which a characteristic map of the turbine is and / or can be stored. The associated procedure provides that in a

Arbeitsschritt das Kennfeld in einer Steuerungseinheit abgelegt wird. Working step the map is stored in a control unit.

Das Kennfeld zeigt das Druckverhältnis über dem Massenstrom an. Linien konstanten Wirkungsgrades und Drehzahlen kennzeichnen den Betrieb des The map shows the pressure ratio over the mass flow. Lines of constant efficiency and speed characterize the operation of the

Abgasturboladers. Exhaust gas turbocharger.

Um die Drehzahl der Welle und somit des Abgasturboladers unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine steuern zu können, ist es günstig, wenn die elektrische Maschine als Motor und/oder als Generator ausgeführt ist. Dazu regelt die elektrische Maschine eine Drehzahl des Verdichters und der Turbine. Darüber hinaus kann der Generator zur Rekuperation der überschüssigen Energie genutzt werden und die elektrische Maschine rekuperiert in einem Betriebsbereich — vorzugsweise bei geschlossenem Ventil - als Generator Energie. In order to be able to control the speed of the shaft and thus of the exhaust gas turbocharger independently of the operating state of the internal combustion engine, it is advantageous if the electrical machine is designed as a motor and / or a generator. To do this, the electric machine regulates the speed of the compressor and the turbine. In addition, the generator can be used to recuperate the excess energy and the electrical machine recuperates energy as a generator in an operating range - preferably with the valve closed.

Um den Gesamtwirkungsgrad möglichst zu erhöhen, ist es günstig, wenn der Verdichter zumindest ein Laufrad mit backswept Laufradschaufeln aufweist. Backswept ist dabei die gängige Bezeichnung für zurückgekrümmte In order to increase the overall efficiency as much as possible, it is advantageous if the compressor has at least one impeller with backswept impeller blades. Backswept is the common name for curved back

Laufradschaufeln bei Verdichtern. Impeller blades on compressors.

Der Betrieb kann möglichst lange im optimalen Wirkungsgradbereich des Kennfelds gehalten werden, wenn vorgesehen ist, dass das Ventil schließt, wenn der aktuelle Massenstrom im Wesentlichen dem Betrag des optimalen Massenstroms entspricht. Operation can be kept in the optimum efficiency range of the characteristic diagram for as long as possible if it is provided that the valve closes when the current mass flow essentially corresponds to the amount of the optimum mass flow.

Um die Steuerung zu erleichtern und einem Überschwingvorgang entgegen zu wirken, ist es vorteilhaft, wenn das Ventil geöffnet wird, bis der aktuelle Massenstrom einen Toleranzbereich um den optimalen Massenstrom erreicht und In order to facilitate the control and to counteract an overshoot process, it is advantageous if the valve is opened until the current mass flow reaches a tolerance range around the optimal mass flow and

im Toleranzbereich schließt. closes in the tolerance range.

Es ist günstig, wenn die Steuerungseinheit feststellt, in welchem Bereich sich der aktuelle Massenstrom im Kennfeld befindet. Dazu wird der Massenstrom gemessen oder bestimmt. It is beneficial if the control unit determines the range in which the current mass flow is located in the characteristics map. For this purpose, the mass flow is measured or determined.

In weiterer Folge wird die Erfindung anhand der nicht einschränkenden Figuren In the following, the invention will be explained with reference to the non-restrictive figures

näher erläutert. Es zeigen: explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine; 1 shows an internal combustion engine according to the invention;

Fig. 2 ein Kennfeld eines Radialverdichters; 2 shows a map of a radial compressor;

Fig. 3 ein Kennfeld eines Verdichters mit backswept Laufrad; 3 shows a characteristic diagram of a compressor with a backswept impeller;

Fig. 4 ein erstes Kennfeld eines Verdichters der erfindungsgemäßen 4 shows a first characteristic map of a compressor according to the invention

Brennkraftmaschine; Internal combustion engine;

Fig. 5 ein erster Verlauf zweier Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine; 5 shows a first profile of two operating variables of the internal combustion engine;

Fig. 6 ein zweiter Verlauf zweier Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine; 6 shows a second profile of two operating variables of the internal combustion engine;

Fig. 7 ein dritter Verlauf zweier Betriebsgrößen der Brennkraftmaschine; 7 shows a third curve of two operating variables of the internal combustion engine;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens im Kennfeld; 8 shows a schematic representation of a method according to the invention in the characteristic map;

Fig. 9 das Kennfeld aus Fig. 8 mit zusätzlichen Erläuterungen; FIG. 9 shows the characteristics map from FIG. 8 with additional explanations; FIG.

Fig. 10 das Kennfeld des Verdichters einer konventionellen Brennkraftmaschine; 10 shows the characteristics map of the compressor of a conventional internal combustion engine;

Fig. 11 eine schematische Darstellung des Verlaufs von einer Betriebsgröße des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu einem konventionellen Verfahren; 11 shows a schematic representation of the course of an operating variable of the method according to the invention in comparison with a conventional method;

und and

Fig. 12 das Kennfeld des Verdichters der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine. 12 shows the characteristics map of the compressor of the internal combustion engine according to the invention.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader. Dieser weist einen Verdichter V, eine elektrische Maschine E und 1 shows an internal combustion engine 1 according to the invention with an exhaust gas turbocharger. This has a compressor V, an electrical machine E and

eine Turbine T auf. Der Verdichter V, die elektrische Maschine E und die Turbine T a turbine T on. The compressor V, the electric machine E and the turbine T

sind über eine gemeinsame Welle W mechanisch miteinander verbunden. are mechanically connected to one another via a common shaft W.

Die gezeigte Brennkraftmaschine 1 weist einen Einlassstrang auf, der von einem Einlass 2 des Verdichters V, an dem Frischluft angesaugt wird, über einen Zwischenkühler 3 und ein Einlassmanifold 4 reicht, bis hin zu Zylindern Z. The internal combustion engine 1 shown has an inlet line which extends from an inlet 2 of the compressor V, at which fresh air is sucked in, via an intercooler 3 and an inlet manifold 4 to cylinders Z.

Die Luft wird im Verdichter V verdichtet und dadurch erwärmt. Im Zwischenkühler 3 wird die Luft wieder gekühlt, bevor die Luft in die Zylinder Z eingebracht. Im Zylinder Z wird Brennstoff gemeinsam mit der Luft verbrannt und durch Kolbenbewegung der nicht näher gezeigten Kolben in den Auslassstrang ausgebracht. Das erhitzte Abgas wird zur Turbine T gleitet und wird dort entspannt. Durch diese Entspannung wird kinetische Energie an die Turbine T abgegeben und mit ihr dreht sich die Welle W um die Achse A und treibt den Verdichter V mit an. The air is compressed in the compressor V and heated as a result. The air is cooled again in the intercooler 3 before the air is introduced into the cylinder Z. In cylinder Z, fuel is burned together with the air and is discharged into the outlet branch by piston movement of the pistons (not shown in detail). The heated exhaust gas slides to the turbine T and is expanded there. As a result of this relaxation, kinetic energy is given off to the turbine T and with it the shaft W rotates around the axis A and drives the compressor V with it.

Der Verdichter V ist zusätzlich durch die elektrische Maschine E antreibbar. The compressor V can also be driven by the electrical machine E.

In bestimmten Betriebspunkten ist es möglich, überschüssige Energie durch die elektrische Maschine E durch Einsatz als Generator zurückzugewinnen. Das wird im In certain operating points it is possible to recover excess energy through the electrical machine E by using it as a generator. That will be in the

Allgemeinen als Rekuperation bezeichnet. Generally referred to as recuperation.

Das Abgas wird nach der Turbine T in die nicht näher gezeigte Abgasanlage weitergeleitet. Dort findet eine Reinigung des Abgases von Schadstoffen durch The exhaust gas is passed on after the turbine T into the exhaust system, not shown in detail. There the exhaust gas is cleaned of pollutants

Katalysatoren und Partikelfilter und die weitere Abkühlung statt. Catalysts and particle filters and the further cooling takes place.

Das Abgas durchströmt nach der Turbine T einen Wärmetauscher 5 zur Abgabe eines Teils der noch im Abgas vorhandenen nutzbaren Wärme. After the turbine T, the exhaust gas flows through a heat exchanger 5 for releasing part of the usable heat still present in the exhaust gas.

In der gezeigten Ausführung ist vor der Turbine eine abzweigende Leitung 6 mit einer Klappe 7 angeordnet. Über diese abzweigende Leitung 6 wird Abgas an der Turbine vorbei zur Abgasanlage geleitet. Dies passiert dann, wenn der Massenstrom durch die Brennkraftmaschine nicht an der Turbine T abgearbeitet werden kann. In the embodiment shown, a branching line 6 with a flap 7 is arranged in front of the turbine. Exhaust gas is routed past the turbine to the exhaust system via this branching line 6. This happens when the mass flow through the internal combustion engine cannot be processed at the turbine T.

Auch vom Verdichter V her zum Zwischenkühler 3 ist eine Abzweigung vorgesehen, die in eine Bypassleitung 8 führt. In dieser Bypassleitung ist ein Ventil 9 angeordnet, das die Massenströme m einstellt. Um im Teillastbetrieb ein Rückströmen des Abgases in das Einlassmanifold 4 zu verhindern, kann das Ventil 9 A branch is also provided from the compressor V to the intercooler 3 and leads into a bypass line 8. In this bypass line, a valve 9 is arranged, which adjusts the mass flows m. In order to prevent the exhaust gas from flowing back into the inlet manifold 4 during partial load operation, the valve 9

vorteilhaft auch als Rückschlagventil ausgeführt sein. be advantageously designed as a check valve.

Die Bypassleitung 8 führt zum Wärmetauscher 5. Der Wärmetauscher 5 wird von der verdichteten Luft vom Verdichter V im Gegenstromprinzip durchströmt. Das heißt, dass das Abgas an der heißen Seite des Wärmetauschers 5 seine höchste Temperatur am ersten Ende des Wärmetauschers aufweist. Die vom Verdichter V kommende Luft weist seine tiefste Temperatur am zweiten Ende des Wärmetauschers auf. Über die Länge des Wärmetauschers wird Wärme vom Abgas an die verdichtete Luft abgegeben und so das Temperaturniveau der Gegenseite verändert. Die höchste Temperatur weist die verdichtete Luft am ersten Ende des Wärmetauschers auf und die niedrigste Temperatur weis das Abgas am zweiten The bypass line 8 leads to the heat exchanger 5. The heat exchanger 5 is traversed by the compressed air from the compressor V using the countercurrent principle. This means that the exhaust gas on the hot side of the heat exchanger 5 has its highest temperature at the first end of the heat exchanger. The air coming from the compressor V has its lowest temperature at the second end of the heat exchanger. Over the length of the heat exchanger, heat is transferred from the exhaust gas to the compressed air, thus changing the temperature level on the opposite side. The compressed air at the first end of the heat exchanger has the highest temperature and the exhaust gas has the lowest temperature at the second

Ende auf. End on.

In alternativen Ausführungen können andere Arten von Wärmetauschern eingesetzt In alternative implementations, other types of heat exchangers can be used

werden. will.

Vom Wärmetauscher 5 wird die verdichtete Luft stromaufwärts der Turbine T in das Abgas eingeleitet. Dadurch wird ein aktueller Massenstrom Maxtueun durch die From the heat exchanger 5, the compressed air is introduced into the exhaust gas upstream of the turbine T. As a result, a current mass flow is Maxtueun through the

Turbine T erreicht. Turbine T reached.

In der gezeigten Ausführung ist das Ventil 9 stromaufwärts des Wärmetauschers 5 und der Turbine T angeordnet. In anderen Ausführungen ist auch eine Anordnung In the embodiment shown, the valve 9 is arranged upstream of the heat exchanger 5 and the turbine T. In other versions there is also an arrangement

des Ventils 9 stromabwärts des Wärmetauschers 5 und vor der Turbine T möglich. of the valve 9 downstream of the heat exchanger 5 and upstream of the turbine T is possible.

Durch die Bypassleitung 8 werden die Zylinder Z und der Zwischenkühler 3 bygepasst, in anderen Worten heißt das, dass die Zylinder Z und der Zwischenkühler 3 von der Strömung durch die Bypassleitung 8 umgangen werden The cylinders Z and the intercooler 3 are bypassed through the bypass line 8, in other words that means that the cylinder Z and the intercooler 3 are bypassed by the flow through the bypass line 8

und auf einem anderen Weg zur Turbine T führen. and lead to turbine T on a different route.

In der gezeigten Ausführung weist die Brennkraftmaschine 1 sechs Zylinder Z auf. Die Zylinder Z sind dabei auf zwei Zylinderbänke zu je drei Zylindern Z an einer Zylinderbank durch die Achse A getrennt gegenüber angeordnet. Die beiden Zylinderbänke teilen sich hier das Einlassmanifold 4. Die hier gezeigte Anordnung In the embodiment shown, the internal combustion engine 1 has six Z cylinders. The cylinders Z are arranged on two cylinder banks of three cylinders Z each on a cylinder bank, separated by the axis A, opposite one another. The two cylinder banks share the inlet manifold 4. The arrangement shown here

entspricht im allgemeinen Sprachgebrauch der eines V6-Motors. corresponds in common usage to that of a V6 engine.

Die Abzweigung in die Bypassleitung 8 vom Verdichter V zum Wärmetauscher 5 ist vor dem Zwischenkühler 3 vorgesehen. In alternativen Ausführungen ist auch eine The branch into the bypass line 8 from the compressor V to the heat exchanger 5 is provided upstream of the intercooler 3. In alternative versions there is also a

Abzweigung vor Eintritt in die Zylinder Z und nach Zwischenkühler 3 möglich. Branch before entry into cylinder Z and after intercooler 3 is possible.

Fig. 2 und Fig. 3 zeigen jeweils ein Kennfeld für einen Verdichter. Die beiden Verdichter weisen unterschiedliche Bauarten auf. Darin ist über einem Massenstrom FIGS. 2 and 3 each show a characteristic map for a compressor. The two compressors are of different types. There is a mass flow in it

m ein Druckverhältnis = aufgetragen. Die Linien konstanten Wirkungsgrads n sind 1 m a pressure ratio = plotted. The lines of constant efficiency n are 1

jeweils mit dem erreichten Wirkungsgrad innerhalb des geschlossenen Linienzugs beschriftet. each labeled with the efficiency achieved within the closed line.

Die geneigte Linie zeigt die Begrenzung des Kennfelds durch die Pumpgrenze P. Über der Pumpgrenze P liegt jener Bereich, in dem die Strömung bei Betrieb des The inclined line shows the delimitation of the map by the surge line P. The area in which the flow occurs during operation of the is above the surge line P

Verdichters abreißt, da der Massenstrom für ein bestimmtes Druckverhältnis 2 zu Compressor breaks off because the mass flow for a certain pressure ratio 2 to

D1 D1

gering ist. Das kann bis zur Richtungsumkehr der Strömung führen, da die Druckniveaus nicht aufrecht erhalten werden können. Daher muss im Betrieb des Verdichters darauf geachtet werden, sich rechts der Pumpgrenze P im Kennfeld zu is low. This can lead to a reversal of the direction of the flow, as the pressure levels cannot be maintained. Therefore, when operating the compressor, care must be taken to ensure that the surge limit P is on the right in the map

befinden. are located.

Der Betriebsbereich oder die Breite des Kennfelds des Verdichters ist zum Teil abhängig vom Design des Laufrades des Verdichters, wie von der Art und der Anzahl der Laufradschaufeln und deren Verdrillung. The operating range or the width of the characteristic map of the compressor depends in part on the design of the impeller of the compressor, such as the type and number of impeller blades and their twist.

Wenn diese Laufradschaufeln so konzipiert sind, dass sie einen gewissen Anteil an einem sogenannten Backsweep besitzen, wird ein Kennfeld erreicht, das höhere Spitzenverdichtungswirkungsgraden auf Kosten der Breite des Kennfelds aufweist. Durch die verminderte Breite des Kennfelds wird es damit schwieriger an die Motoranwendungen anzupassen. Übersetzt werden könnte Backsweep If these impeller blades are designed in such a way that they have a certain proportion of what is known as a backsweep, a map is achieved which has higher peak compression efficiencies at the expense of the breadth of the map. The reduced width of the map makes it more difficult to adapt to the engine applications. Backsweep could be translated

beziehungsweise Backswept sinngemäß als zurückgekrümmt. or backswept analogously as curved back.

Backswept-Laufräder weisen im Unterschied zu normalen Radiallaufrädern einen über die Laufradhöhe variierenden Schaufelwinkel auf. Durch Einsatz von Backswept-Laufrädern kann der Wirkungsgrad gerade bei niedrigen In contrast to normal radial impellers, backswept impellers have a blade angle that varies over the height of the impeller. By using backswept impellers, the efficiency can be reduced, especially at low

Geschwindigkeiten erhöht werden. Speeds can be increased.

In Fig. 2 ist ein Kompressor-Kennfeld für einen Verdichter mit einem konventionellen Radiallaufrad gezeigt. Im Vergleich dazu ist in Fig. 3 ein Kompressor-Kennfeld für einen Verdichter mit einem Backswept-Laufrad gezeigt. Dadurch erhöht sich der erreichbare Wirkungsgrad von 80% auf 85%. In Fig. 2, a compressor map for a compressor with a conventional radial impeller is shown. In comparison, FIG. 3 shows a compressor map for a compressor with a backswept impeller. This increases the achievable efficiency from 80% to 85%.

Zum Nachteil ist es jedoch, dass durch diese Bauart der Laufräder die Breite des Kennfelds abnimmt. Das heißt in anderen Worten, dass der Massenstrombereich, in The disadvantage, however, is that this type of construction of the impellers reduces the width of the characteristic field. In other words, the mass flow range in

dem ein bestimmter Wirkungsgrad n bei einem bestimmten Druckverhältnis = which a certain efficiency n at a certain pressure ratio =

1 1

erreicht werden kann, kleiner wird. Dies macht den Einsatz von backswept can be achieved becomes smaller. This makes the use of backswept

Laufrädern für Abgasturbolader praktisch unmöglich. Impellers for exhaust gas turbochargers are practically impossible.

Der Verdichter braucht ein linear ansteigendes Druckverhältnis > um über den 1 The compressor needs a linearly increasing pressure ratio> over the 1st

verschiedenen Massenströmen m effizient arbeiten zu können. Für die Gegebenheiten einer Brennkraftmaschine benötigt der Verdichter ein breites Kennfeld. different mass flows m to be able to work efficiently. The compressor requires a broad map for the conditions of an internal combustion engine.

Um ein konstant bleibendes Drehmoment abgeben zu können, muss der Verdichter In order to be able to deliver a constant torque, the compressor must

ein konstantes Druckverhältnis % bereitstellen, wie bei Betrieb entlang einer ersten provide a constant pressure ratio%, as when operating along a first

D1 D1

Linie a in Fig. 4 dargestellt ist. Zur Erreichung einer konstanten Leistung muss der Line a in Fig. 4 is shown. To achieve constant performance, the

Verdichter einen konstanten Massenstrom m für verschiedene Druckverhältnisse % Compressor a constant mass flow m for different pressure ratios%

1 1

liefern, wie bei Betrieb entlang einer zweiten Linie b in Fig. 4. as when operating along a second line b in FIG. 4.

Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad n eines Verdichters einer volllastoptimierten Brennkraftmaschine im Vergleich zu einer Gasturbine, die nur For this reason, the efficiency n of a compressor of a full-load-optimized internal combustion engine compared to a gas turbine, which only

einen engen Betriebsbereich benötigt, deutlich niedriger. Die Linie c stellt den Betrieb dar, der den maximalen Wirkungsgrad n erreicht. requires a narrow operating range, significantly lower. The line c represents the operation that reaches the maximum efficiency n.

Die Fig. 5 bis 7 zeigen über einer Drehzahl n einer beispielhaften Brennkraftmaschine einzelne Betriebsgrößen bei Volllast der Brennkraftmaschine. Fig. 5 gibt dabei das abgegebene Drehmoment M der Brennkraftmaschine über der Drehzahl n, Fig. 6 einen Ladedruck p der Brennkraftmaschine über der Drehzahl n und Fig. 7 gibt einen Brennstoffmassenstrom mg über der Drehzahl n an. FIGS. 5 to 7 show individual operating variables over a speed n of an exemplary internal combustion engine at full load of the internal combustion engine. 5 shows the output torque M of the internal combustion engine over speed n, FIG. 6 shows a boost pressure p of the internal combustion engine over speed n, and FIG. 7 gives a fuel mass flow mg over speed n.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist der Einsatz dieser wirkungsgradsteigernden konstruktiven Maßnahme jedoch problemlos möglich, wie anhand der Fig. 8 anschaulich demonstriert wird. However, the method according to the invention makes it possible to use this efficiency-increasing structural measure without any problems, as is clearly demonstrated on the basis of FIG. 8.

Kurven k stellen Linien konstanter Verdichterdrehzahl dar. Curves k represent lines of constant compressor speed.

Einerseits werden durch Erwärmung der verdichteten Luft am Wärmetauscher 5 mit dem Abgas die Verluste teilweise ausgeglichen. Der größte Vorteil und Wirkungsgradgewinn geht aus den geänderten Strömungsverhältnissen am Verdichter V hervor: Bei geringeren Drehzahlen n und hohen Ladedrücken p wird ein höherer Massenstrom mpypass durch die Bypassleitung 8 zur Turbine T geleitet. On the one hand, the losses are partially compensated for by heating the compressed air at the heat exchanger 5 with the exhaust gas. The greatest advantage and gain in efficiency result from the changed flow conditions at the compressor V: At lower speeds n and high boost pressures p, a higher mass flow mpypass is passed through the bypass line 8 to the turbine T.

Bei hohen Drehzahlen n und niedrigen Ladedrücken p wird ein geringerer Massenstrom Myypass abgezweigt. Dadurch wird der Verdichter V in einem viel At high speeds n and low boost pressures p, a lower mass flow Myypass is branched off. This turns the compressor V in a lot

kleineren Betriebsbereich im Kennfeld als bei üblichen Brennkraftmaschinen smaller operating range in the map than with conventional internal combustion engines

betrieben. operated.

Die Massenströme ergeben sich folgendermaßen: The mass flows result as follows:

Mpypass 5 Moptimai 7 Mz Mpypass 5 Moptimai 7 Mz

Dabei ist Moprimaı der optimale Massenstrom durch den Verdichter V und m„ ist der Massenstrom, der dem Zwischenkühler 3 und den Zylindern Z zugeführt wird. Der optimale Massenstrom mMopeimaı Wird derart gewählt, dass der höchste erreichbare Moprimaı is the optimal mass flow through the compressor V and m „is the mass flow that is fed to the intercooler 3 and the cylinders Z. The optimal mass flow mMopeimaı is chosen in such a way that the highest achievable

Wirkungsgrad n erzielt wird. Efficiency n is achieved.

Diese Massenströme werden durch Stellung des Ventils 9 von der nicht in den These mass flows are not in the position of the valve 9 of the

Figuren dargestellten Steuerungseinheit geregelt oder gesteuert. Control unit shown in the figures regulated or controlled.

Durch das Bypassen der Zylinder Z wird der Betriebspunkt BPv des Verdichters V im Zieldruckverhältnis DV im Kennfeld nach rechts verschoben. Das Zieldruckverhältnis DV ist das Druckverhältnis, das zur Aufrechterhaltung des effizienten Betriebs bei einer bestimmten Drehzahl n nötig ist. Somit ist der Betriebspunkt BPv der Betriebspunkt mit dem höchsten Wirkungsgrad bei dieser Verdichterdrehzahl. By bypassing the cylinder Z, the operating point BPv of the compressor V in the target pressure ratio DV is shifted to the right in the map. The target pressure ratio DV is the pressure ratio that is necessary to maintain efficient operation at a certain speed n. Thus, the operating point BPv is the operating point with the highest efficiency at this compressor speed.

Die Steuerungseinheit stellt zur Regelung oder Steuerung des Verfahrens Abschätzungen an. Dabei soll ein maximaler Wirkungsgrad n des Verdichters V The control unit makes estimates to regulate or control the method. A maximum efficiency n of the compressor V

erreicht werden. can be achieved.

Der Massendurchfluss myypass der Bypassleitung 8 für eine bestimmte Drehzahl n The mass flow rate myypass of the bypass line 8 for a specific speed n

ergibt sich als Differenz zwischen dem optimalen Massenstroms Moprimaı UNd dem results as the difference between the optimal mass flow rate Moprimaı UNd dem

Massenstrom ıh7 von verdichteter Luft durch die Zylinder Z jeweils für eine Mass flow ıh7 of compressed air through the cylinder Z each for one

bestimmte Drehzahl n. certain speed n.

Zur Berechnung des richtigen Massendurchflusses m,ypass der Bypassleitung muss man den optimalen Massenstrom moprimaı Dei dem Zieldruckverhältnis DV berechnen. Hierfür benötig man den maximalen Wirkungsgrad des Verdichters NverdichterMax. IM gesamten Kennfeld sowie das Druckverhältnis DV, verdichtermax.) UNd den Massenstrom mMy_(verdichtermax.) DEiIM Maximalen Wirkungsgrad. Massenstrom To calculate the correct mass flow rate m, ypass of the bypass line, one must calculate the optimal mass flow rate moprimaı Dei for the target pressure ratio DV. For this you need the maximum efficiency of the compressor NcompressorMax. In the entire map as well as the pressure ratio DV, compressor max.) AND the mass flow mMy_ (compressor max.) DEiIM Maximum efficiency. Mass flow

Makxtueun für eine bestimmte Drehzahl n ergibt sich anhand folgender Formel: Makxtueun for a certain speed n results from the following formula:

m ; Moptimaı (DV) = DV En. CVerdichterMax) DV, m; Moptimaı (DV) = DV En. C CompressorMax) DV,

_(VerdichterMax.) _ (CompressorMax.)

In Worten bedeutet das, dass der optimale Massenstrom Mopeimaı (DV) bei einem bestimmten Zieldruckverhältnis DV linear mit dem Druckverhältnis zunimmt, korrigiert mit dem Verhältnis Massenstrom bei maximalem Wirkungsgrad In words, this means that the optimum mass flow Mopeimaı (DV) increases linearly with the pressure ratio at a specific target pressure ratio DV, corrected with the mass flow ratio at maximum efficiency

My _Verdichtermax.) ZU Druckverhältnis bei maximalem Wirkungsgrad DV, erdichterMax.)* My _compressor max.) TO pressure ratio at maximum efficiency DV, compressor max.) *

Der Massenstrom 17 durch die Zylinder Z bei der Drehzahl n ergibt sich zu The mass flow 17 through the cylinder Z at the speed n results in

folgendem Produkt: the following product:

m (n) _ PvorVerdichter * DV(n) * TEintass (n) *n (n) x n+*2 m (n) _ PvorCompressor * DV (n) * TEintass (n) * n (n) x n + * 2

Dabei ist Dyorverdichter der Druck vor dem Verdichter V, DV(n) ist das Zieldruckverhältnis bei der Drehzahl n. 7ginass(N) Ist die Einlasstemperatur bei der Drehzahl n. n.gxu (nm) steht für den volumetrischen Wirkungsgrad der Dyor compressor is the pressure upstream of the compressor V, DV (n) is the target pressure ratio at speed n. 7ginass (N) is the inlet temperature at speed n. N.gxu (nm) stands for the volumetric efficiency of the

Brennkraftmaschine 1, Vz für das Zylindervolumen und h für den Motorhub. Internal combustion engine 1, Vz for the cylinder volume and h for the engine stroke.

Im Vergleich zwischen konventionellem und erfindungsgemäßem Verfahren in Fig. 10 bis 12 zeigen die Linien d und e den Betrieb des Verdichters V bei verschiedenen Drehzahlen n. In Fig. 11 ist durchgezogen die Linie f für ein konventionelles Verfahren dargestellt und strichliert ist die Linie g für das erfindungsgemäße Verfahren eingezeichnet. Fig. 11 zeigt den Massenstrom my durch den Verdichter V über der Drehzahl n. Es ist anhand Fig. 12 ersichtlich, dass sich die Betriebspunkte In a comparison between the conventional method and the method according to the invention in FIGS. 10 to 12, the lines d and e show the operation of the compressor V at different speeds n. In FIG. 11, the line f for a conventional method is shown in solid lines and the line g for the method according to the invention is shown. FIG. 11 shows the mass flow my through the compressor V over the speed n. It can be seen from FIG. 12 that the operating points

des Verdichters V entlang der Geraden des höchsten Wirkungsgrads n bewegen. of the compressor V move along the straight line of the highest efficiency n.

Claims (1)

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS Brennkraftmaschine (1) mit einem Abgasturbolader, der eine Turbine (T) und einen Verdichter (v) aufweist, die über eine Welle (W) miteinander verbunden sind, wobei der Verdichter (V) über die Welle (W) mit einer elektrischen Maschine (E) verbunden ist und der Verdichter (V) mit einem Einlassstrang der Brennkraftmaschine (1) verbunden ist, sodass der Verdichter (V) die Brennkraftmaschine (1) mit verdichtetem Gas - insbesondere Luft - versorgt, wobei in der Verbindung zum Einlassstrang eine Bypassleitung (8) vorgesehen ist, die den Verdichter (V) mit dem Auslassstrang stromaufwärts der Turbine (T) verbindet, und in der ein Wärmetauscher (5) vorgesehen ist, der in einer Abgasanlage angeordnet ist und im Gegenstromprinzip vom Abgas durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (8) ein Ventil (9) angeordnet ist, wobei mittels des Ventils (V) der Massenstrom (Maxtueu) durch die Turbine (T) regelbar oder steuerbar ist. Internal combustion engine (1) with an exhaust gas turbocharger, which has a turbine (T) and a compressor (V) which are connected to one another via a shaft (W), the compressor (V) being connected to an electrical machine (W) via the shaft (W). E) is connected and the compressor (V) is connected to an inlet line of the internal combustion engine (1), so that the compressor (V) supplies the internal combustion engine (1) with compressed gas, in particular air, with a bypass line ( 8) is provided, which connects the compressor (V) with the outlet line upstream of the turbine (T), and in which a heat exchanger (5) is provided, which is arranged in an exhaust system and through which the exhaust gas flows according to the countercurrent principle, characterized in that, that a valve (9) is arranged in the bypass line (8), the mass flow (Maxtueu) through the turbine (T) being adjustable or controllable by means of the valve (V). Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) in der Bypassleitung (8) stromaufwärts des Wärmetauschers (5) angeordnet ist. Internal combustion engine (1) according to claim 1, characterized in that the valve (9) is arranged in the bypass line (8) upstream of the heat exchanger (5). Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) in der Bypassleitung (8) stromabwärts des Wärmetauschers (5) angeordnet ist. Internal combustion engine (1) according to claim 1, characterized in that the valve (9) is arranged in the bypass line (8) downstream of the heat exchanger (5). Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (5) stromabwärts der Turbine (T) Internal combustion engine (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the heat exchanger (5) downstream of the turbine (T) in der Abgasanlage angeordnet ist. is arranged in the exhaust system. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit vorgesehen ist, in der ein Kennfeld der Turbine (T) abgelegt ist und/oder abgelegt werden kann. Internal combustion engine (1) according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a control unit is provided in which a characteristic diagram of the turbine (T) is and / or can be stored. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (E) als Motor und/oder als Generator ausgeführt ist. Internal combustion engine (1) according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the electrical machine (E) is designed as a motor and / or as a generator. 7. Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (V) zumindest ein Laufrad mit backswept Laufradschaufeln aufweist. 7. Internal combustion engine (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the compressor (V) has at least one impeller with backswept impeller blades. 8. Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. 8. Vehicle with an internal combustion engine (1) according to one of claims 1 to 7. 9. Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kennfeld der Turbine 9. The method for operating an internal combustion engine (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that a map of the turbine (T) hinterlegt wird, in dem jedem Druckverhältnis (3) ein optimaler (T) is stored in which each pressure ratio (3) an optimal Massenstrom (Moprimaı) ZUgeOordnet wird und dass das Ventil (9) in der Bypassleitung (8) geöffnet wird, wenn ein aktueller Massenstrom (Makxtuein) Mass flow (Moprimaı) is assigned and that the valve (9) in the bypass line (8) is opened when a current mass flow (Makxtuein) kleiner ist als der optimale Massenstrom (Moptimal)-is smaller than the optimal mass flow (Moptimal) - 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) schließt, wenn der aktuelle Massenstrom (Maxeueun) IM Wesentlichen dem 10. The method according to claim 9, characterized in that the valve (9) closes when the current mass flow (Maxeueun) is essentially the Betrag des optimalen Massenstroms (Mopgimaı) ENtspricht. Amount of the optimal mass flow (Mopgimaı) corresponds to. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) geöffnet wird, bis der aktuelle Massenstrom (Maxtueu) einen Toleranzbereich um den optimalen Massenstrom (Mopeimaı) Erreicht und im 11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the valve (9) is opened until the current mass flow (Maxtueu) reaches a tolerance range around the optimal mass flow (Mopeimaı) and in Toleranzbereich schließt. Tolerance range closes. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (E) eine Drehzahl (n) des Verdichters (V) und 12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that the electrical machine (E) has a speed (n) of the compressor (V) and der Turbine (T) regelt. the turbine (T) regulates. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (E) in einem Betriebsbereich - vorzugsweise bei geschlossenem Ventil (9) - als Generator Energie rekuperiert. 13. The method according to any one of claims 9 to 12, characterized in that the electrical machine (E) in an operating range - preferably with the valve (9) closed - recuperates energy as a generator. 14. Verfahren nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld 14. The method according to claim 9 to 13, characterized in that the map in einer Steuerungseinheit abgelegt wird. is stored in a control unit. 15. Verfahren nach Anspruch 14, dass die Steuerungseinheit feststellt, in welchem 15. The method according to claim 14, that the control unit determines in which Bereich sich der aktuelle Massenstrom (Maxtueu) IM Kennfeld befindet. Range is the current mass flow (Maxtueu) in the map. 2019 12 16 2019 12 16
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