DE102015200601B3 - Charged internal combustion engine with loader and electric machine and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – einer Kurbelwelle, – einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, – einem Abgasabführsystem (4) zum Abführen des Abgases, – einem mechanischen Lader (8), der im Ansaugsystem (2) angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer Antriebswelle (8a) angeordnetes Laufrad und eine Bypassleitung (8b) verfügt, die stromabwärts des Laders (8) in das Ansaugsystem (2) mündet, – einer Elektromaschine (7), die über eine Welle (7a) verfügt und als Antriebsmotor mittels einer ersten Kupplung (11) mit der Antriebswelle (8a) des Laders (6) antriebsverbindbar ist, und – einer Batterie (9). Es soll eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) der genannten Art bereitgestellt werden, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt. Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine (1), die dadurch gekennzeichnet ist, dass – die Elektromaschine (7) als Generator betreibbar ist, der Leistung aufnimmt, – ein Zugmitteltrieb (10) vorgesehen ist, der neben dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine (1) angeordnetes erstes Rad (10a) und ein auf der Welle (7a) der Elektromaschine (7) angeordnetes zweites Rad (10b) umfasst, wobei das zweite Rad (10b) ein in beide Drehrichtungen freilaufendes Rad (10b) ist und die Welle (7a) der Elektromaschine (7) mittels einer zweiten Kupplung (12) mit dem zweiten Rad (10b) antriebsverbindbar ist.The invention relates to a supercharged internal combustion engine (1) having - a crankshaft, - an intake system (2) for supplying charge air, - an exhaust gas removal system (4) for discharging the exhaust gas, - a mechanical supercharger (8) operating in the intake system (2) is arranged and which has at least one arranged on a drive shaft (8a) impeller and a bypass line (8b) downstream of the loader (8) in the intake system (2) opens, - an electric machine (7) via a shaft ( 7a) and as a drive motor by means of a first clutch (11) with the drive shaft (8a) of the supercharger (6) is drive-connected, and - a battery (9). It is intended to provide a supercharged internal combustion engine (1) of the stated type, with which the disadvantages known from the prior art are overcome and which has an improved charge. This is achieved with an internal combustion engine (1), which is characterized in that - the electric machine (7) is operated as a generator that absorbs power, - a traction mechanism (10) is provided, in addition to the traction means on the crankshaft of the internal combustion engine (1) arranged first wheel (10a) and on the shaft (7a) of the electric machine (7) arranged second wheel (10b), wherein the second wheel (10b) is a free wheel in both directions of rotation (10b) and the shaft (7a) of the electric machine (7) by means of a second clutch (12) with the second wheel (10b) is drive-connected.
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einer Kurbelwelle,
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases,
- – einem mechanischen Lader, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer Antriebswelle angeordnetes Laufrad und eine Bypassleitung verfügt, die stromabwärts des Laders in das Ansaugsystem mündet,
- – einer Elektromaschine, die über eine Welle verfügt und als Antriebsmotor mittels einer ersten Kupplung mit der Antriebswelle des Laders antriebsverbindbar ist, und
- – einer Batterie.
- - a crankshaft,
- An intake system for supplying charge air,
- An exhaust gas discharge system for discharging the exhaust gas,
- A mechanical supercharger disposed in the intake system and having at least one impeller arranged on a drive shaft and a bypass line which opens into the intake system downstream of the supercharger,
- - An electric machine which has a shaft and is drive-connected as a drive motor by means of a first clutch to the drive shaft of the supercharger, and
- - a battery.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art mit einem mechanischen Lader und einer Elektromaschine beschreibt die
Das in der
Bekannt ist auch die
Die
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes diesel engines and gasoline engines, but also hybrid internal combustion engines, which use a hybrid combustion process, and hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be electrically connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
In den letzten Jahren hat sich eine Entwicklung hin zu kleinen, hochaufgeladenen Motoren vollzogen, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Luft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.In recent years, there has been a trend toward small, supercharged engines, the supercharging being primarily a performance enhancement method that compresses the air needed for the engine combustion process, thereby providing each cylinder with greater air mass per cycle can. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with a suitable transmission design and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Advantageously, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the radiator also contributes to a better filling of the cylinders, ie to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht. In der Regel ist eine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.The advantage of an exhaust gas turbocharger in comparison to a mechanical supercharger is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine. In general, a mechanical connection for power transmission between the supercharger and the internal combustion engine is required.
Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader stets den angeforderten Ladedruck generiert und zur Verfügung stellt und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine, insbesondere unabhängig von der momentan vorliegenden Drehzahl der Kurbelwelle. Das gilt insbesondere für einen mechanischen Lader, der mittels Elektromaschine antreibbar ist.The advantage of a mechanical supercharger over an exhaust-gas turbocharger is that the mechanical supercharger always generates and makes available the required boost pressure, regardless of the operating state of the internal combustion engine, in particular independently of the currently present rotational speed of the crankshaft. This applies in particular to a mechanical loader which can be driven by means of an electric machine.
Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.In fact, according to the state of the art, it is difficult to increase the power by means of turbocharging in all engine speed ranges. It is observed a greater torque drop when falling below a certain speed. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. Consequently, the boost pressure ratio also decreases toward lower speeds. This is synonymous with a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a charged by turbocharging internal combustion engine is trying to improve the prior art by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnittes und gleichzeitiger Abgasabblasung. Hierzu wird die Turbine mit einer Abblaseleitung ausgestattet, die stromaufwärts der Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und in der ein Absperrelement angeordnet ist. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstromes im Rahmen der sogenannten Abgasabblasung via Abblaseleitung an der Turbine vorbei geführt, d. h. abgeblasen. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass das energiereiche abgeblasene Abgas ungenutzt bleibt und das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen regelmäßig unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. For this purpose, the turbine is equipped with a blow-off line which branches off from the exhaust-gas removal system upstream of the turbine and in which a shut-off element is arranged. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical size, part of the exhaust gas flow is guided past the turbine via the blow-off line as part of the so-called exhaust gas blow-off, d. H. blown off. This approach has the disadvantage that the high-energy blown exhaust gas remains unused and the charging behavior is regularly insufficient at higher speeds.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.A turbine with variable turbine geometry allows a further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross-section, to some extent a speed-dependent or load-dependent control of the turbine geometry can be done.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may also be represented by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with turbines are switched successively with increasing exhaust gas quantity; similar to a register charge.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the compressor map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams as well as towards larger compressor streams.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert wird. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Abblaseleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Abblaseleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Abblaseleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern.In particular, in the case of the exhaust-gas turbocharger serving as a high-pressure stage, the pumping limit can be shifted toward smaller compressor flows, which means that high boost pressure ratios can be achieved even with small compressor flows and the torque characteristic in the lower rpm range is markedly improved. This is achieved by designing the high-pressure turbine for small exhaust gas mass flows and providing a blow-off line with which exhaust gas is increasingly conducted past the high-pressure turbine as the exhaust gas mass flow increases. For this purpose, the blow-off line branches off the exhaust-gas removal system upstream of the high-pressure turbine and returns into the exhaust-gas removal system upstream of the low-pressure turbine. In the blow-off line, a shut-off element is arranged in order to control the exhaust gas flow conducted past the high-pressure turbine.
Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer Lader vorgesehen werden. Da eine Abgasturboaufladung insbesondere unter Verwendung mehrerer Abgasturbolader kostenintensiv ist, kann anstelle einer Abgasturboaufladung auch eine Aufladung mittels einem mechanischem Lader vorgenommen werden. Die Vorteile sind die oben bereits Genannten.In addition to an exhaust gas turbocharger, a mechanical supercharger can in principle also be provided. Since an exhaust gas turbocharging is expensive, in particular when using a plurality of exhaust gas turbochargers, instead of an exhaust gas turbocharging, charging by means of a mechanical supercharger can also be carried out. The advantages are those already mentioned above.
Die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über einen mechanischen Lader. The internal combustion engine object of the present invention has a mechanical supercharger for charging.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt.In light of the above, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, which overcomes the disadvantages known from the prior art and which has improved charging.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- – einer Kurbelwelle,
- – einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- – einem Abgasabführsystem zum Abführen des Abgases,
- – einem mechanischen Lader, der im Ansaugsystem angeordnet ist und der über mindestens ein auf einer Antriebswelle angeordnetes Laufrad und eine Bypassleitung verfügt, die stromabwärts des Laders in das Ansaugsystem mündet,
- – einer Elektromaschine, die über eine Welle verfügt und als Antriebsmotor mittels einer ersten Kupplung mit der Antriebswelle des Laders antriebsverbindbar ist, und
- – einer Batterie, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – die Elektromaschine als Generator betreibbar ist, der Leistung aufnimmt,
- – ein Zugmitteltrieb vorgesehen ist, der neben dem Zugmittel ein auf der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angeordnetes erstes Rad und ein auf der Welle der Elektromaschine angeordnetes zweites Rad umfasst, wobei das zweite Rad ein in beide Drehrichtungen freilaufendes Rad ist und die Welle der Elektromaschine mittels einer zweiten Kupplung mit dem zweiten Rad antriebsverbindbar ist.
- - a crankshaft,
- An intake system for supplying charge air,
- An exhaust gas discharge system for discharging the exhaust gas,
- A mechanical supercharger disposed in the intake system and having at least one impeller arranged on a drive shaft and a bypass line which opens into the intake system downstream of the supercharger,
- - An electric machine which has a shaft and is drive-connected as a drive motor by means of a first clutch to the drive shaft of the supercharger, and
- - A battery, which is characterized in that
- The electric machine is operable as a generator receiving power,
- A traction mechanism drive is provided which, in addition to the traction means, comprises a first wheel arranged on the crankshaft of the internal combustion engine and a second wheel arranged on the shaft of the electric motor, wherein the second wheel is a freewheeling wheel in both directions of rotation and the shaft of the electric machine is a second one Clutch is drive-connected with the second wheel.
Im Gegensatz zum Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine nur ein schaltbarer Antriebsstrang vorgesehen, nämlich der Strang zwischen der Elektromaschine und dem Lader. Die Welle der Elektromaschine und die Antriebswelle des Laders können durch Betätigen einer ersten Kupplung miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.In contrast to the prior art, only a switchable drive train is provided in the internal combustion engine according to the invention, namely the strand between the electric machine and the loader. The shaft of the electric machine and the drive shaft of the supercharger can be connected or disconnected by operating a first clutch.
Dies trägt auch dem Umstand Rechnung, dass der Lader grundsätzlich von der Elektromaschine angetrieben wird bzw. angetrieben werden sollte, solange die Batterie, welche die Elektromaschine speist, ausreichend elektrische Energie liefert.This also takes into account the fact that the loader is basically driven by the electric machine or should be driven as long as the battery that powers the electric machine provides sufficient electrical energy.
Der via erstem Rad mit der Kurbelwelle antriebsverbundene Zugmitteltrieb ist unmittelbar mit diesem Antriebsstrang verbunden bzw. verbindbar. Hierzu ist ein zweites Rad des Zugmitteltriebs freilaufend auf der Welle der Elektromaschine angeordnet. Dieses zweite Rad kann mit der Welle der Elektromaschine durch Betätigen einer zweiten Kupplung verbunden werden.The via the first wheel to the crankshaft drive-connected traction drive is directly connected to this drive train or connectable. For this purpose, a second wheel of the traction drive is arranged freewheeling on the shaft of the electric machine. This second wheel can be connected to the shaft of the electric machine by operating a second clutch.
Ein zweiter schaltbarer Antriebsstrang, wie in der
Ein direkter Antrieb des mechanischen Laders durch die Brennkraftmaschine unter Umgehung der Elektromaschine, so wie dies in der
Im Gegensatz zum Stand der Technik kann die Elektromaschine der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine auch als Startvorrichtung für die Brennkraftmaschine genutzt werden, mit der die Kurbelwelle beim Starten zwangsweise in Drehung versetzt wird. Bei geöffneter erster Kupplung und geschlossener zweiter Kupplung treibt die von der Batterie gespeiste Elektromaschine dann via Zugmitteltrieb die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine an.In contrast to the prior art, the electric machine of the internal combustion engine according to the invention can also be used as a starting device for the internal combustion engine, with which the crankshaft is forcibly set in rotation when starting. When the first clutch is open and the second clutch is closed, the electric machine powered by the battery then drives the crankshaft of the internal combustion engine via the traction mechanism drive.
Die üblicherweise vorgesehene Startvorrichtung kann entfallen, so dass das erfindungsgemäße Konzept betreffend einen mechanischen Lader mitsamt Antrieb zu einem dichten Packaging einer weniger voluminösen Antriebseinheit beiträgt.The usually provided starting device can be dispensed with, so that the inventive concept concerning a mechanical loader together with the drive contributes to a tight packaging of a less voluminous drive unit.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und die über eine verbesserte Aufladung verfügt.With the internal combustion engine according to the invention, the first object of the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the known from the prior art disadvantages are overcome and which has an improved charge.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Welle der Elektromaschine mittels der ersten Kupplung mit der Antriebswelle des mechanischen Laders antriebsverbunden ist. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the shaft of the electric machine is drive-connected to the drive shaft of the mechanical supercharger by means of the first clutch are advantageous.
Der Lader wird vorzugsweise von der Elektromaschine angetrieben, so dass die für den Antrieb des Laders erforderliche Energie zumindest nicht direkt von der Brennkraftmaschine stammt und die von der Brennkraftmaschine zur Verfügung gestellte bzw. bereitstellbare Leistung nicht gemindert wird. Insofern muss beim Betrieb der Brennkraftmaschine auch keine Rücksicht auf die Anforderungen des Laders genommen werden, solange die Batterie, welche die Elektromaschine speist, ausreichend elektrische Energie liefert. D. h. der Betrieb der Brennkraftmaschine ist unabhängig vom Laderbetrieb und umgekehrt, wodurch sich die Flexibilität der Aufladung erhöht.The supercharger is preferably driven by the electric machine, so that the energy required for driving the supercharger at least does not originate directly from the internal combustion engine and the power provided or can be provided by the internal combustion engine is not reduced. In this respect, when operating the internal combustion engine, no consideration must be given to the requirements of the supercharger, as long as the battery which powers the electric machine supplies sufficient electrical energy. Ie. the operation of the internal combustion engine is independent of the loader operation and vice versa, which increases the flexibility of the charge.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung des mechanischen Laders geschlossen ist, damit die Ladeluft den Lader nicht umgehen kann, sondern durchströmen muss.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the bypass line of the mechanical supercharger is closed are advantageous, so that the charge air can not bypass the supercharger, but must flow through it.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Welle der Elektromaschine mittels der zweiten Kupplung mit dem zweiten Rad des Zugmitteltriebs antriebsverbunden ist. Das Schliessen der zweiten Kupplung sorgt für einen Kraftschluss und damit für einen Kraftfluss zwischen der Kurbelwelle und Welle der Elektromaschine und schafft die Möglichkeit ein Drehmoment zu übertragen und zwar sowohl von der Kurbelwelle auf die Elektromaschine zur Energierückgewinnung als auch von der Elektromaschine auf die Kurbelwelle zum Starten der Brennkraftmaschine.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the shaft of the electric machine is drive-connected to the second wheel of the traction mechanism drive by means of the second clutch are advantageous. The closing of the second clutch provides a frictional connection and thus a power flow between the crankshaft and shaft of the electric machine and creates the possibility of transmitting torque both from the crankshaft to the electric machine for energy recovery and from the electric machine to the crankshaft for starting the internal combustion engine.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang daher Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Elektromaschine zur Energierückgewinnung als Generator dient und die Batterie die vom Generator aufgenommene Leistung als elektrische Energie speichert. Die zweite Kupplung ist geschlossen und die Elektromaschine fungiert als Generator. Die erste Kupplung kann geöffnet oder geschlossen sein. Bei geschlossener erster Kupplung wird dann auch der Lader von der Brennkraftmaschine angetrieben und zwar indirekt via Elektromaschine.Advantageous in this context, therefore, embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the electric machine is used for energy recovery as a generator and the battery stores the power absorbed by the generator as electrical energy. The second clutch is closed and the electric machine acts as a generator. The first clutch can be opened or closed. When the first clutch is closed and the charger is then driven by the internal combustion engine and indirectly via electric machine.
Für die Energierückgewinnung eignet sich insbesondere der Schubbetrieb der Brennkraftmaschine. Dabei wirkt der Generator wie eine Motorbremse, wobei die nach dem Stand der Technik von der Motorbremse abgebaute und damit ungenutzte Energie erfindungsgemäß mittels Generator zurückgewonnen werden kann und im Bedarfsfall auch zurückgewonnen wird. Verstärken und unterstützen lässt sich dieser Effekt dadurch, dass die Ventile während der Energierückgewinnung im Schubbetrieb einlassseitig und/oder auslassseitig abgeschaltet werden.For the energy recovery, in particular the overrun operation of the internal combustion engine is suitable. In this case, the generator acts like an engine brake, wherein the degraded according to the prior art of the engine brake and thus unused energy according to the invention can be recovered by means of generator and, if necessary, also recovered. This effect can be reinforced and supported by switching off the valves on the intake side and / or exhaust side during energy recovery in overrun mode.
Vorteilhaft können – wie bereits erwähnt – auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Elektromaschine als Startvorrichtung zum Starten der Brennkraftmaschine dient und die Batterie die erforderliche elektrische Energie liefert. Dabei ist die erste Kupplung vorzugsweise geöffnet, es sei denn, der Lader soll bereits vor dem Starten bzw. gleichzeitig mit dem Starten der Brennkraftmaschine beschleunigt, d. h. auf Drehzahl gebracht werden. Dadurch, dass die Elektromaschine gemäß der in Rede stehenden Ausführungsform als Startvorrichtung verwendbar ist, kann auf eine weitere zusätzliche Startvorrichtung verzichtet werden, so dass die Ausstattung des Laders mit einer – primär als Hilfsantrieb dienenden – Elektromaschine kostenneutral ist im Vergleich zu einer Brennkraftmaschine, die nicht über eine derartige Elektromaschine verfügt und eine andere Startvorrichtung benötigt.Advantageously - as already mentioned - and embodiments of the supercharged internal combustion engine be, in which the electric machine serves as a starting device for starting the internal combustion engine and the battery provides the required electrical energy. In this case, the first clutch is preferably open, unless the loader is accelerated before starting or simultaneously with the starting of the internal combustion engine, d. H. be brought to speed. The fact that the electric machine according to the embodiment in question can be used as a starting device, can be dispensed with a further additional starting device, so that the equipment of the supercharger with a - serving primarily as an auxiliary drive - electric machine is cost-neutral compared to an internal combustion engine, not has such an electric machine and requires a different starting device.
Vorteilhaft sind dabei grundsätzlich Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung des mechanischen Laders geöffnet ist.In principle, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the bypass line of the mechanical supercharger is open are advantageous.
Sowohl im Rahmen der Energierückgewinnung als auch beim Starten der Brennkraftmaschine ist es sinnvoll, die Bypassleitung zu öffnen, damit die von der Zylindern angesaugte Ladeluft nicht durch den Lader strömen muss, der in beiden Fällen lediglich einen Strömungswiderstand darstellt.Both in the context of energy recovery and when starting the internal combustion engine, it makes sense to open the bypass line so that the charge air sucked by the cylinders does not have to flow through the charger, which in both cases only represents a flow resistance.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen
- – die Welle der Elektromaschine mittels der ersten Kupplung mit der Antriebswelle des mechanischen Laders antriebsverbunden ist, und
- – die Welle der Elektromaschine mittels der zweiten Kupplung mit dem zweiten Rad des Zugmitteltriebs antriebsverbunden ist.
- - The shaft of the electric machine is drivingly connected by means of the first clutch to the drive shaft of the mechanical supercharger, and
- - The shaft of the electric machine is drivingly connected by means of the second clutch with the second wheel of the traction drive.
Gemäß dem vorstehenden Schaltzustand der beiden Kupplungen wird sowohl der Lader als auch die Elektromaschine von der Brennkraftmaschine angetrieben. Diese Ausführungsform, bei der die Elektromaschine als Generator betrieben wird und der Energierückgewinnung dient, wurde bereits erwähnt.According to the above switching state of the two clutches, both the supercharger and the electric machine are driven by the internal combustion engine. This embodiment, in which the electric machine is operated as a generator and is used for energy recovery, has already been mentioned.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Bypassleitung des mechanischen Laders geschlossen ist, damit die Ladeluft den Lader nicht umgehen kann, sondern den Lader durchströmen muss.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the bypass line of the mechanical supercharger is closed, so that the charge air can not bypass the supercharger, but instead must flow through the supercharger, are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Kupplung und/oder die zweite Kupplung eine elektromagnetische Kupplung ist. Eine elektromagnetische Kupplung zeichnet sich durch die schnellen Schaltzeiten aus. Dies ermöglicht ein schnelles Schließen und Öffnen, d. h. ein schnelles Aktivieren und Deaktivieren der Kupplung. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first clutch and / or the second clutch is an electromagnetic clutch are advantageous. An electromagnetic clutch is characterized by the fast switching times. This allows a fast closing and opening, ie a quick activation and deactivation of the clutch.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen mindestens ein Abgasturbolader vorgesehen ist, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei die Turbine und der Verdichter auf derselben drehbaren Welle angeordnet sind.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which at least one exhaust-gas turbocharger is provided, which comprises a turbine arranged in the exhaust-gas removal system and a compressor arranged in the intake system, are advantageous, wherein the turbine and the compressor are arranged on the same rotatable shaft.
Werden der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers und der Lader in Reihe angeordnet, kann der Verdichter stromabwärts oder stromaufwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet sein.If the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger and the supercharger are arranged in series, the compressor can be arranged downstream or upstream of the mechanical supercharger in the intake system.
Vorteilhaft sind daher unter anderem Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromabwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet ist. Vorliegend dient der Verdichter des Abgasturboladers als Hochdruckstufe, bei dem ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich wird, so dass auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können und die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert wird.Among other things, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger is arranged downstream of the mechanical supercharger in the intake system are advantageous. In the present case, the compressor of the exhaust gas turbocharger serves as a high-pressure stage, in which a shift of the surge line to smaller compressor streams is possible, so that even at low compressor flows high boost pressure ratios can be achieved and the torque characteristics in the lower speed range is significantly improved.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers stromaufwärts des mechanischen Laders im Ansaugsystem angeordnet ist. Hierbei dient der mechanische Lader als Hochdruckstufe und der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers als Niederdruckstufe, der auf große Verdichterströme auszulegen ist, d. h. entsprechend zu dimensionieren ist.But can also be advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the mechanical supercharger in the intake system. Here, the mechanical supercharger is used as a high-pressure stage and the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger as a low-pressure stage, which is interpreted to large compressor flows, d. H. is to be dimensioned accordingly.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mechanischen Laders ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der Luft, wodurch auch der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a charge air cooler is arranged in the intake system downstream of the mechanical supercharger are advantageous. The intercooler lowers the air temperature and thus increases the density of the air, whereby the radiator to a better filling of the combustion chamber with air, d. H. contributes to a larger air mass.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided are advantageous.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Abgasrückführung vorgesehen ist, welche eine Leitung umfasst, die stromabwärts des Laders in das Ansaugsystem mündet.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which exhaust gas recirculation is provided, which includes a line which opens into the intake system downstream of the supercharger, are advantageous.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei mit xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die durch den Verdichter geführte und komprimierte Ladeluft bezeichnet.To comply with future limits for nitrogen oxide emissions, an exhaust gas recirculation is increasingly used, ie the return of exhaust gases from the exhaust side to the inlet side, in which the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with increasing exhaust gas recirculation rate. In this case, the exhaust gas recirculation rate x AGR is determined by x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR designates the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the charge air guided through the compressor and compressed.
Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, können hohe Abgasrückführraten erforderlich sein, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können.Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range. In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates may be required, which may be on the order of x AGR ≈ 60% to 70%.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.Embodiments in which the line for exhaust gas recirculation leads downstream of a charge air cooler into the intake system are advantageous. In this way, the exhaust gas flow is not passed through the intercooler and consequently can not pollute this radiator by deposits of pollutants contained in the exhaust stream, in particular soot particles and oil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Frischluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Ladeluft beiträgt.Embodiments in which an additional cooler is provided in the exhaust gas recirculation line are advantageous. This additional cooler lowers the temperature in the hot exhaust gas flow and thus increases the density of the exhaust gases. The temperature of the cylinder fresh charge, which occurs in the mixture of fresh air with the recirculated exhaust gases, is consequently further reduced, whereby the additional radiator contributes to a better filling of the combustion chamber with charge air.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.Embodiments in which a shut-off element is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This shut-off element is used to control the exhaust gas recirculation rate.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass bei geöffneter zweiter Kupplung die erste Kupplung geschlossen wird, um die Welle der Elektromaschine mit der Antriebswelle des mechanischen Laders zu verbinden und den mechanischen Lader anzutreiben.The second sub-task underlying the invention, namely to show a method for operating a supercharged internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method which is characterized in that when the second clutch is open, the first clutch is closed to the shaft of the electric machine the drive shaft of the mechanical Laders and drive the mechanical charger.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die unterschiedlichen Brennkraftmaschinen erfordern teils verschiedene Verfahrensvarianten.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why at this point in general reference is made to the statements made above with regard to the internal combustion engine according to the invention. The different internal combustion engines sometimes require different process variants.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die zweite Kupplung ebenfalls geschlossen wird, falls die Batterie einen vorgebbaren Mindestladezustand unterschreitet, um
- – den mechanischen Lader anzutreiben, und
- – das zweite Rad des Zugmitteltriebs mit der Welle der Elektromaschine zu verbinden, die Elektromaschine zur Energierückgewinnung als Generator zu betreiben und die Batterie mittels Generator aufzuladen.
- - to power the mechanical charger, and
- - To connect the second wheel of the traction drive with the shaft of the electric machine to operate the electric machine for energy recovery as a generator and charge the battery by means of a generator.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Bypassleitung des mechanischen Laders geschlossen wird.In this case, embodiments of the method in which the bypass line of the mechanical supercharger is closed are advantageous.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen des Verfahrens sein, bei denen die erste Kupplung geöffnet und die zweite Kupplung geschlossen wird, um
- – das zweite Rad des Zugmitteltriebs kraftschlüssig mit der Welle der Elektromaschine zu verbinden, und
- – die Elektromaschine zur Energierückgewinnung als Generator zu betreiben und die Batterie mittels Generator aufzuladen.
- - To connect the second wheel of the traction drive frictionally with the shaft of the electric machine, and
- - To operate the electric machine for energy recovery as a generator and charge the battery by means of a generator.
Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die erste Kupplung geöffnet und die zweite Kupplung geschlossen wird, um
- – das zweite Rad des Zugmitteltriebs mit der Welle der Elektromaschine zu verbinden, und
- – die Elektromaschine als Startvorrichtung zum Starten der Brennkraftmaschine zu betreiben, wobei die Batterie die erforderliche elektrische Energie liefert.
- - To connect the second wheel of the traction drive with the shaft of the electric machine, and
- - To operate the electric machine as a starting device for starting the internal combustion engine, the battery provides the required electrical energy.
Hinsichtlich der beiden letztgenannten Verfahrensvarianten sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die Bypassleitung des mechanischen Laders geöffnet wird.With regard to the latter two variants of the method, embodiments are advantageous in which the bypass line of the mechanical supercharger is opened.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß
Zum Abführen der heißen Abgase verfügen die vier in Reihe angeordneten Zylinder
Die Brennkraftmaschine
Stromabwärts des Verdichters
Die Brennkraftmaschine
Darüber hinaus sind eine Elektromaschine
Die Elektromaschine
Ein Zugmitteltrieb
Im Schubbetrieb der Brennkraftmaschine
Die zweite Kupplung
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- aufgeladene Brennkraftmaschine, Vier-Zylinder-Reihenmotor supercharged internal combustion engine, four-cylinder in-line engine
- 22
- Ansaugsystem intake system
- 33
- Zylinder cylinder
- 44
- Abgasabführsystem Abgasabführsystem
- 55
- Ladeluftkühler Intercooler
- 66
- Abgasturbolader turbocharger
- 6a6a
- Turbine turbine
- 6b6b
- Verdichter compressor
- 77
- Elektromaschine electric machine
- 7a7a
- Welle der Elektromaschine Wave of the electric machine
- 88th
- mechanischer Lader mechanical loader
- 8a8a
- Antriebswelle des Laders Drive shaft of the loader
- 8b8b
- Bypassleitung bypass line
- 8c8c
- Absperrelement shut-off
- 99
- Batterie battery
- 1010
- Zugmitteltrieb traction drive
- 10a10a
- erstes Rad first bike
- 10b10b
- zweites Rad, in beide Drehrichtungen freilaufendes Rad second wheel, in both directions free-wheel
- 1111
- erste Kupplung first clutch
- 1212
- zweite Kupplung second clutch
- 1313
- Plenum plenum
Claims (18)
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