DE102015211541B4 - Energy recovery in the intake air tract of an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors (2) mit einem Zulufttrakt (13, 11, 19, 5, 3), der ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor (2) einen Zuluftstrom zuzuführen, und der einen Verdichter (11) eines Abgasturboladers (11, 12), eine mit einem in dem Zuluftstrom angeordneten Rotor (6) verbundene elektrische Maschine (8) und eine von einem Abgastrakt (4, 12, 20, 14, 15) des Verbrennungsmotors (2) zu einer stromabwärts des Rotors (6) gelegenen Einspeisestelle führende Abgasrückführung (16) aufweist und bei dem die Abgasrückführung (16) ohne Abgasrückführventil (17) ausgeführt ist, das Verfahren aufweisend einen Schritt des Einstellens einer gewünschten Abgasrückführrate in einem Drosselbetriebsmodus des Verbrennungsmotors (2), in dem die elektrische Maschine (8) in einem Generatormodus und in Abhängigkeit von der gewünschten Abgasrückführrate betrieben wird, wobei die dadurch dem Zuluftstrom entnommene Leistung einem elektrischen Bordnetz (9) zugeführt wird.A method for operating a self-igniting internal combustion engine (2) with an intake air duct (13, 11, 19, 5, 3) which is designed to supply an intake air flow to the internal combustion engine (2) and which has a compressor (11) of an exhaust gas turbocharger (11, 12), an electric machine (8) connected to a rotor (6) arranged in the supply air flow and one located from an exhaust tract (4, 12, 20, 14, 15) of the internal combustion engine (2) to one downstream of the rotor (6). exhaust gas recirculation (16) leading to the feed point and in which the exhaust gas recirculation (16) is designed without an exhaust gas recirculation valve (17), the method having a step of setting a desired exhaust gas recirculation rate in a throttle operating mode of the internal combustion engine (2), in which the electric machine (8) is operated in a generator mode and as a function of the desired exhaust gas recirculation rate, the power thus drawn from the supply air flow being fed to an on-board electrical system (9).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors, ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen selbstzündenden Verbrennungsmotor und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen selbstzündenden Verbrennungsmotor.The invention relates to a method for operating a self-igniting internal combustion engine, a self-igniting internal combustion engine operated according to the method according to the invention, and a motor vehicle with such a self-igniting internal combustion engine.

Im Kraftfahrzeugbau besteht ein fortlaufendes Streben nach effizienteren Verbrennungsmotoren, um den Ausstoß an Kohlendioxid zu senken. Auch aus diesem Grund ist ein Trend zu aufgeladenen Verbrennungsmotoren mit reduziertem Hubraum zu verzeichnen, da im Falle eines fremdgezündeten Verbrennungsmotors hierbei der Motor häufiger ungedrosselt betrieben wird, was die Drosselklappenverluste verringert. Um die Stickoxiderzeugung in den vorgeschriebenen Grenzen zu halten, muss in der Praxis dennoch der Massendurchfluss der Zuluft für den fremdgezündeten Verbrennungsmotor durch eine Drosselklappe gesteuert werden, was die Pumpverluste des Verbrennungsmotors erhöht und so die Effizienz des Motors beeinträchtigt. Bei den üblicherweise magerbetriebenen selbstzündenden Verbrennungsmotoren wurde ein Niederlastbetrieb traditionell durch Steuerung der Kraftstoffzuführung eingestellt, während die Zuluft ungedrosselt in den Brennraum strömen kann. Hierbei entsteht wegen des Sauerstoffüberschusses eine heutzutage als inakzeptabel angesehene Menge an Stickoxiden.In motor vehicle construction there is an ongoing striving for more efficient internal combustion engines in order to reduce carbon dioxide emissions. For this reason, too, there is a trend towards supercharged internal combustion engines with reduced cubic capacity, since in the case of a spark-ignited internal combustion engine, the engine is often operated unthrottled, which reduces throttle valve losses. In practice, however, in order to keep the production of nitrogen oxides within the prescribed limits, the mass flow of the intake air for the spark-ignited internal combustion engine must be controlled by a throttle valve, which increases the pumping losses of the internal combustion engine and thus impairs the efficiency of the engine. In the case of the usually lean-burn self-igniting internal combustion engines, low-load operation was traditionally set by controlling the fuel supply, while the intake air can flow unthrottled into the combustion chamber. Due to the excess oxygen, this produces a quantity of nitrogen oxides that is considered unacceptable today.

Eine verbreitete Gegenmaßnahme ist die Abgasrückführung, bei der Abgas des Verbrennungsmotors zum Zulufttrakt zurückgeführt und der Zuluft beigemischt wird. Dadurch werden Temperaturspitzen in der Brennkammer vermieden oder gedämpft, was die Erzeugung von Stickoxiden stark einschränkt.A common countermeasure is exhaust gas recirculation, in which exhaust gas from the combustion engine is returned to the intake air duct and mixed with the intake air. This avoids or dampens temperature peaks in the combustion chamber, which greatly limits the production of nitrogen oxides.

Bei der Niederdruckabgasrückführung wird das rückgeführte Abgas der Zuluft stromaufwärts des Verdichters beigemischt. Problematisch hierbei ist die Belastung des Verdichters durch korrosive Bestandteile des Abgases. Bei der Hochdruckabgasrückführung wird das rückgeführte Abgas stromabwärts des Verdichters der bereits verdichteten Zuluft beigemischt. Dies kann jedoch nur dann funktionieren, wenn das Abgas mit einem höheren Druck rückgeführt wird als der der vom Verdichter bereits verdichteten Zuluft. Aus diesem Grund wird gegenwärtig bei selbstzündenden Verbrennungsmotoren häufig eine Abgasrückführdrossel vorgesehen, die als elektronisch steuerbare Drosselklappe den Zuluftstrom drosseln kann, um dadurch die Abgasrückführrate zu erhöhen. Nachteilig sind hier jedoch die entstehenden Drosselklappenverluste wegen der durch die Abgasrückführdrossel verursachten Druckabnahme der verdichteten Zuluft.With low-pressure exhaust gas recirculation, the recirculated exhaust gas is mixed with the supply air upstream of the compressor. The problem here is the loading of the compressor by corrosive components of the exhaust gas. With high-pressure exhaust gas recirculation, the recirculated exhaust gas is mixed with the already compressed supply air downstream of the compressor. However, this can only work if the exhaust gas is recirculated at a higher pressure than that of the supply air that has already been compressed by the compressor. For this reason, an exhaust gas recirculation throttle is currently often provided in self-igniting internal combustion engines, which can throttle the supply air flow as an electronically controllable throttle valve in order to thereby increase the exhaust gas recirculation rate. The disadvantage here, however, are the throttle flap losses that occur because of the pressure drop in the compressed intake air caused by the exhaust gas recirculation throttle.

Aus der DE 10 2011 084 782 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Ansaugleitung und einem Abgasrückführsystem bekannt. Zudem ist ein Abgasturbolader vorgesehen. In der Ansaugleitung ist ein Drosselelement angeordnet, welche mittels einer Bypassleitung umgangen werden kann. In der Bypassleitung ist eine Expansionsmaschine zur Gewinnung zusätzlicher Energie angeordnet.From the DE 10 2011 084 782 A1 an internal combustion engine with an exhaust pipe, an intake pipe and an exhaust gas recirculation system is known. An exhaust gas turbocharger is also provided. A throttle element, which can be bypassed by means of a bypass line, is arranged in the intake line. An expansion machine for obtaining additional energy is arranged in the bypass line.

Die DE 10 2011 006 388 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer mengengeregelten Brennkraftmaschine. Die Brennkraftmaschine weist einen Ansaugtrakt und einen Abgasstrang auf, wobei in dem Ansaugtrakt in Strömungsrichtung einer Verbrennungsluft vor einem Einlassventil eine Expansionsmaschine angeordnet ist, deren Abtriebswelle mit einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine koppelbar ist, wobei ein an dem Abgasstrang anordenbarer Wärmetauscher vorgesehen ist und wobei eine Verbrennungsluft, bevor sie durch die Expansionsmaschine strömt, in dem Wärmetauscher von einem Abgas der Brennkraftmaschine aufgeheizt wird.the DE 10 2011 006 388 A1 discloses a method for operating a quantity-controlled internal combustion engine. The internal combustion engine has an intake tract and an exhaust tract, with an expansion machine being arranged in the intake tract in the flow direction of a combustion air in front of an intake valve, the output shaft of which can be coupled to an output shaft of the internal combustion engine, a heat exchanger which can be arranged on the exhaust tract being provided and with a combustion air, before it flows through the expander, is heated in the heat exchanger by an exhaust gas from the internal combustion engine.

Die JP 2005 - 127 261 A beschreibt einen Verbrennungsmotor mit einer Abgasrückführungsvorrichtung und einem Abgasturbolader. Außerdem sind ein Stromgenerator, der von der Abgasturbine angetrieben wird, ein Elektromotor zum Antreiben eines Kompressors, eine Batterie zum Akkumulieren der von dem Generator erzeugten Leistung, die dem Elektromotor zugeführt wird und eine Steuerung zum Steuern der Drehzahl der Abgasturbine vorhanden. Die Steuerung erfolgt derart, dass die Menge an rückgeführtem Abgas einer vorab eingestellten Sollmenge entspricht.the JP 2005 - 127 261 A describes an internal combustion engine with an exhaust gas recirculation device and an exhaust gas turbocharger. Also provided are a power generator driven by the exhaust turbine, an electric motor for driving a compressor, a battery for accumulating power generated by the generator and supplied to the electric motor, and a controller for controlling the rotational speed of the exhaust turbine. The control takes place in such a way that the amount of recirculated exhaust gas corresponds to a previously set target amount.

Die DE 60 2004 001 149 T2 offenbart eine Vorverdichtervorrichtung zum Vorverdichten von Einlassluft in der Einlasspassage einer Verbrennungsmaschine basierend auf der benötigten Einlassluftflussrate der Maschine. Die Vorverdichtervorrichtung weist einen Verdrängervorverdichter, einen elektrischen Motor zum Antreiben des Vorverdichters, der auch als Generator arbeiten kann, eine Umgehungspassage zur Umgehung des Vorverdichters und ein Umgehungsventil in der Umgehungspassage auf. Zudem ist eine Steuerung vorhanden, die u. a. programmiert ist, eine Öffnung des Umgehungsventils basierend auf der Ausstoßflussrate des Vorverdichter und der benötigten Einlassluftflussrate der Maschine einzustellen, so dass das Umgehungsventil öffnet, falls ein Unterschied zwischen der Ausstoßflussrate des Vorverdichters und der benötigten Einlassluftflussrate der Maschine nicht Null ist.the DE 60 2004 001 149 T2 discloses a booster device for boosting intake air in the intake passage of an internal combustion engine based on the required intake air flow rate of the engine. The supercharger device includes a displacement supercharger, an electric motor for driving the supercharger, which can also function as a generator, a bypass passage for bypassing the supercharger, and a bypass valve in the bypass passage. In addition, there is a controller which is programmed, among other things, to adjust an opening of the bypass valve based on the discharge flow rate of the supercharger and the required intake air flow rate of the engine, so that the bypass valve opens if there is a difference between the discharge flow rate of the supercharger and the required intake air flow rate of the engine is zero.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen selbstzündenden Verbrennungsmotor und einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betriebenen selbstzündenden Verbrennungsmotor einzuführen, die eine Verringerung der Drosselklappenverluste erlauben.It is therefore an object of the invention to provide an operating method for a self-igniting internal combustion engine and according to the erfindungsge to introduce self-igniting internal combustion engines operated according to methods that allow a reduction in throttle valve losses.

Die Erfindung führt daher ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors ein. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Zulufttrakt ausgestattet, der ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor einen Zuluftstrom zuzuführen, und der einen Verdichter eines Abgasturboladers und eine mit einem in dem Zuluftstrom angeordneten Rotor verbundene elektrische Maschine aufweist. Außerdem besitzt der Verbrennungsmotor eine von einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors zu einer stromabwärts des Rotors gelegenen Einspeisestelle führende Abgasrück-führung. Erfindungsgemäß ist die Abgasrückführung ohne Abgasrückführventil ausgeführt und es ist ein Schritt des Einstellens einer gewünschten Abgasrückführrate in einem Drosselbetriebsmodus des Verbrennungsmotors vorgesehen, in dem die elektrische Maschine in einem Generatormodus und in Abhängigkeit von der gewünschten Abgasrückführrate betrieben und die dadurch dem Zuluftstrom entnommene Leistung einem elektrischen Bordnetz zugeführt wird.The invention therefore introduces an improved method of operating a compression ignition internal combustion engine. The internal combustion engine is equipped with an intake air tract which is designed to supply an intake air flow to the internal combustion engine and which has a compressor of an exhaust gas turbocharger and an electrical machine connected to a rotor arranged in the intake air flow. In addition, the internal combustion engine has an exhaust gas recirculation system leading from an exhaust tract of the internal combustion engine to a feed point located downstream of the rotor. According to the invention, the exhaust gas recirculation is carried out without an exhaust gas recirculation valve and there is a step of setting a desired exhaust gas recirculation rate in a throttle operating mode of the internal combustion engine, in which the electric machine is operated in a generator mode and depending on the desired exhaust gas recirculation rate and the power drawn from the supply air flow as a result is an electrical on-board network is supplied.

Die Erfindung erhöht die Effizienz des selbstzündenden Verbrennungsmotors, indem bei der Drosselung des Zuluftstromes zur Erhöhung der Abgasrückführrate Leistung aus dem Zuluftstrom zurückgewonnen wird. Diese Leistung wird zwar mittelbar von dem Verbrennungsmotor erzeugt und durch die Verluste bei der Wandlung in einen elektrischen Strom verringert, dennoch wäre die durch diese Art der Drosselung rekuperierte Leistung andernfalls verloren. Die Entnahme von Leistung aus dem Zuluftstrom bietet sich besonders dann an, wenn auf eine Betriebsphase mit verhältnismäßig hoher Motorleistung und dementsprechend großem Abgasvolumen und niedriger Abgasrückführrate eine solche mit verringerter Motorleistung erfolgt. Hierbei kann insbesondere bei einem aufgeladenen selbstzündenden Verbrennungsmotor mit Abgasturbine Leistung rückgewonnen und elektrischen Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden.The invention increases the efficiency of the self-igniting internal combustion engine by recovering power from the supply air flow when the supply air flow is throttled to increase the exhaust gas recirculation rate. Although this power is generated indirectly by the internal combustion engine and reduced by the losses in the conversion into an electrical current, the power recuperated by this type of throttling would otherwise be lost. The extraction of power from the supply air flow is particularly useful when an operating phase with relatively high engine power and correspondingly large exhaust gas volume and low exhaust gas recirculation rate is followed by one with reduced engine power. Here, in particular in the case of a supercharged self-igniting internal combustion engine with an exhaust gas turbine, power can be recovered and electrical consumers made available.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Rückgewinnung auf der Kaltluftseite des selbstzündenden Verbrennungsmotors durchgeführt wird, so dass die Belastung des Rotors beziehungsweise der elektrischen Maschine für die Rückgewinnung durch korrodierende Abgase und Rußpartikel gegenüber einer Anordnung in der Abgasseite reduziert wird oder entfällt.A further advantage of the invention is that the recovery is carried out on the cold air side of the self-igniting internal combustion engine, so that the load on the rotor or the electric machine for the recovery from corroding exhaust gases and soot particles is reduced or eliminated compared to an arrangement in the exhaust gas side.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann außerdem vorgesehen sein, die elektrische Maschine in einem Boostbetriebsmodus des Verbrennungsmotors in einem Motorbetriebsmodus zu betreiben, wodurch im Boostbetriebsmodus ein Ladedruck des Verbrennungsmotors erhöht wird. In einem solchen Fall wird die elektrische Maschine mit dem in dem Zuluftstrom angeordneten Rotor als elektrischer Kompressor betrieben, um einen höheren Grad an Aufladung und damit eine größere Motorleistung zu erreichen. Dadurch kann für eine gegebene Kraftfahrzeugmasse ein Verbrennungsmotor mit weiter reduziertem Hubraum vorgesehen werden, der dann bei Anforderung eines höheren Motorleistung durch Einsatz des derart verwirklichten Kompressors stärker aufgeladen wird, um die verlangte Leistung bereitzustellen. Dies bietet den Vorteil, dass die im Drosselbetriebsmodus rekuperierte elektrische Energie für den Antrieb des elektrischen Kompressors aufgewendet werden kann.In the method according to the invention, it can also be provided that the electric machine is operated in a boost operating mode of the internal combustion engine in a motor operating mode, as a result of which a boost pressure of the internal combustion engine is increased in the boost operating mode. In such a case, the electric machine is operated as an electric compressor with the rotor arranged in the supply air flow, in order to achieve a higher degree of supercharging and thus greater motor power. As a result, an internal combustion engine with a further reduced cubic capacity can be provided for a given motor vehicle mass, which is then supercharged when a higher engine output is required by using the compressor realized in this way in order to provide the required output. This offers the advantage that the electrical energy recuperated in the throttle operating mode can be used to drive the electrical compressor.

In dem Boostbetriebsmodus kann vorgesehen sein, den Zuluftstrom vollständig über den mit der elektrischen Maschine verbundenen Rotor zu leiten. Außerdem oder zusätzlich kann in dem Drosselbetriebsmodus vorgesehen sein, einen variabel vorgebbaren Teil des Zuluftstroms an dem mit der elektrischen Maschine verbundenen Rotor vorbeizuleiten. Dadurch kann die zugeführte Frischluft für die Zuluft des Verbrennungsmotors unabhängig von der Abgasrückführrate eingestellt werden.In the boost operating mode, provision can be made for the supply air flow to be routed completely via the rotor connected to the electric machine. In addition or additionally, in the throttle operating mode, a variably predeterminable part of the supply air flow can be routed past the rotor connected to the electric machine. As a result, the supplied fresh air for the intake air of the internal combustion engine can be adjusted independently of the exhaust gas recirculation rate.

Bei einigen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, eine stromabwärts des mit der elektrischen Maschine verbundenen Rotors und stromaufwärts der Einspeisestelle der Abgasrückführung angeordnete elektronisch gesteuerte Drosselklappe als Abgasrückführdrossel variabel einzustellen. Bei der Steuerung der Drosselklappe wird dann die über die Rekuperation von Leistung aus dem Zuluftstrom erzeugte Erhöhung der Abgasrückführrate berücksichtigt. Besonders bevorzugt wird jedoch die Abgasrückführdrossel weggelassen und die Steuerung der Abgasrückführrate über die Rekuperation von Leistung aus dem Zuluftstrom vorgenommen. Durch den Wegfall der Abgasrückführdrossel ergibt sich eine Kosteneinsparung.In some embodiments of the method according to the invention, an electronically controlled throttle valve arranged downstream of the rotor connected to the electric machine and upstream of the feed point of the exhaust gas recirculation can be variably adjusted as an exhaust gas recirculation throttle. When controlling the throttle valve, the increase in the exhaust gas recirculation rate generated by recuperating power from the supply air flow is then taken into account. However, the exhaust gas recirculation throttle is particularly preferably omitted and the exhaust gas recirculation rate is controlled by recuperating power from the supply air flow. The elimination of the exhaust gas recirculation throttle results in cost savings.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung führt einen verbesserten selbstzündenden Verbrennungsmotor ein. Der Verbrennungsmotor verfügt über einen Zulufttrakt, der ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor einen Zuluftstrom zuzuführen, und der einen Verdichter eines Abgasturboladers, eine mit einem in dem Zuluftstrom angeordneten Rotor verbundene elektrische Maschine und eine von einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors zu einer stromabwärts des Rotors gelegenen Einspeisestelle führende Abgasrückführung aufweist. Erfindungsgemäß ist die Abgasrückführung ohne Abgasrückführventil ausgebildet und es istq ein Steuergerät vorgesehen, welches ausgebildet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, also insbesondere in einem Drosselbetriebsmodus des selbstzündenden Verbrennungsmotors die elektrische Maschine in einem Generatorbetrieb und in Abhängigkeit von einer gewünschten Abgasrückführrate zu betreiben. Der selbstzündende Verbrennungsmotor der Erfindung besitzt den Vorteil, dass auf eine Abgasrückführdrossel verzichtet werden kann, wodurch die Effizienz des selbstzündenden Verbrennungsmotors gesteigert wird. Eine Abgasrückführdrossel kann aber dennoch vorgesehen sein, um die bei der Steuerung des Verbrennungsmotors zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade zu erhöhen.A second aspect of the invention introduces an improved compression ignition internal combustion engine. The internal combustion engine has an intake air duct, which is designed to supply the internal combustion engine with an intake air flow, and which leads to a compressor of an exhaust gas turbocharger, an electric machine connected to a rotor arranged in the intake air flow, and a feed point located downstream of the rotor from an exhaust gas tract of the internal combustion engine Has exhaust gas recirculation. According to the invention, the exhaust gas recirculation is designed without an exhaust gas recirculation valve and a control unit is provided which is designed to carry out the method according to the invention, ie in particular in a throttle operating mode of the self-igniting Ver internal combustion engine to operate the electric machine in a generator mode and depending on a desired exhaust gas recirculation rate. The self-igniting internal combustion engine of the invention has the advantage that an exhaust gas recirculation throttle can be dispensed with, as a result of which the efficiency of the self-igniting internal combustion engine is increased. However, an exhaust gas recirculation throttle can still be provided in order to increase the degrees of freedom available when controlling the internal combustion engine.

Vorzugsweise verfügt der Verbrennungsmotor über ein parallel zu dem Rotor angeordnetes Bypass-Ventil. Mit dem Bypass-Ventil wird es möglich, einen Grad der Drosselung des Verbrennungsmotors variabel vorzugeben.The internal combustion engine preferably has a bypass valve arranged parallel to the rotor. The bypass valve makes it possible to variably specify a degree of throttling of the internal combustion engine.

Besonders bevorzugt sind der YRotor und die elektrische Maschine Teile eines elektrischen Kompressors. Beispielsweise kann der Verbrennungsmotor über einen sogenannten Supercharger verfügen, also eine Serienschaltung eines Verdichters eines Abgasturboladers und eines elektrischen Kompressors.The Y rotor and the electrical machine are particularly preferably parts of an electrical compressor. For example, the internal combustion engine can have a so-called supercharger, i.e. a series connection of a compressor of an exhaust gas turbocharger and an electric compressor.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem selbstzündenden Verbrennungsmotor gemäß dem vorhergehenden Erfindungsaspekt.A further aspect of the invention relates to a motor vehicle with a self-igniting internal combustion engine according to the preceding aspect of the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Abbildung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das einen selbstzündenden Verbrennungsmotor 2 besitzt, der vorliegend beispielhaft mit vier Zylindern ausgeführt ist. Selbstverständlich können stattdessen auch andere Zylinderanzahlen vorgesehen sein. Der Verbrennungsmotor 2 verfügt ladeseitig über einen Zuluftkrümmer 3 und abgasseitig über einen Abgaskrümmer 4. Das in jedem Umdrehungszyklus aus den Zylindern strömende Abgas wird in dem Abgaskrümmer 4 gesammelt und kann, so vorhanden, über eine Abgasturbine 12 geleitet werden. Ein Teil des beim Betrieb des Verbrennungsmotors 2 entstehenden Abgases wird über eine Abgasrückführung 16 zurück zu dem Zuluftkrümmer 3 geleitet, wo der Teil des Abgases der Zuluft für den Verbrennungsmotor 2 beigemischt wird. Die Abgasrückführung 16 kann beispielsweise einen Abgasrückführungskühler 18 besitzen. Das in 1 gezeigte Abgasrückführventil 17 ist nicht vorhanden.The invention is explained in more detail below using an illustration of an exemplary embodiment. The only figure shows a motor vehicle 1, which has a self-igniting internal combustion engine 2, which in the present example is designed with four cylinders. Of course, other numbers of cylinders can also be provided instead. The internal combustion engine 2 has an intake air manifold 3 on the charging side and an exhaust manifold 4 on the exhaust gas side. A portion of the exhaust gas produced during operation of the internal combustion engine 2 is routed back to the intake air manifold 3 via an exhaust gas recirculation system 16, where the portion of the exhaust gas is mixed with the intake air for the internal combustion engine 2. The exhaust gas recirculation 16 can have an exhaust gas recirculation cooler 18, for example. This in 1 shown exhaust gas recirculation valve 17 is not available.

Das nicht zurückgeführte Abgas gelangt über eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14, welche beispielsweise einen oder mehrere Katalysatoren enthalten kann, zu einem Auspuff 15, der das Abgas in die Umgebung entlässt. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 14 und der Auspuff 15 stellen keinen wesentlichen Teil der Erfindung dar und können nach fachmännischem Belieben in Einklang mit den Maßgaben des Einzelfalls ausgeführt werden.The exhaust gas that is not recirculated passes via an exhaust gas aftertreatment device 14, which can contain one or more catalytic converters, for example, to an exhaust pipe 15, which releases the exhaust gas into the environment. The exhaust after-treatment device 14 and the muffler 15 do not form an essential part of the invention and can be implemented at the discretion of the person skilled in the art in accordance with the requirements of the individual case.

Die Abgasturbine 12 ist üblicherweise mit einem Verdichter 11 zu einem Turbolader verbunden und treibt den Verdichter 11 an. Der Verdichter 11 saugt Umgebungsluft über einen Luftfilter 13 an und verdichtet diese, wodurch er den Ladedruck des selbstzündenden Verbrennungsmotors 2 erhöht. Durch diese Verdichtung kann in dasselbe Arbeitsvolumen eine höhere Ladeluftmasse geladen werden (Turboaufladung).The exhaust gas turbine 12 is usually connected to a compressor 11 to form a turbocharger and drives the compressor 11 . The compressor 11 draws in ambient air via an air filter 13 and compresses it, thereby increasing the charging pressure of the self-igniting internal combustion engine 2 . This compression means that a higher charge air mass can be loaded into the same working volume (turbo charging).

Bei Ausführungsformen der Erfindung mit einer Abgasturbine 12 kann parallel zu der Abgasturbine 12 ein sogenanntes Wastegate 20 vorgesehen sein, welches eine wählbare Menge Abgas an der Abgasturbine 12 vorbeileiten kann. Dies kann beispielsweise zum Zwecke der Steuerung des Grades der Turboaufladung des Verbrennungsmotors 2 geschehen. Wird eine größere Menge Abgas über das Wastegate 20 an der Abgasturbine 12 vorbeigeleitet, so stellt die Abgasturbine 12 dem Verdichter 11 eine geringere Antriebsleistung zur Verfügung, so dass die dem Verbrennungsmotor 2 zugeführte Ladeluft weniger verdichtet wird und demgemäß der Ladedruck sinkt.In embodiments of the invention with an exhaust gas turbine 12 , what is known as a wastegate 20 can be provided parallel to the exhaust gas turbine 12 , which can route a selectable quantity of exhaust gas past the exhaust gas turbine 12 . This can be done for the purpose of controlling the degree of turbocharging of the internal combustion engine 2, for example. If a larger quantity of exhaust gas is routed past the exhaust gas turbine 12 via the wastegate 20, the exhaust gas turbine 12 makes less drive power available to the compressor 11, so that the charge air supplied to the internal combustion engine 2 is compressed less and the charge pressure drops accordingly.

Die von dem Verdichter 11 verdichtete Zuluft wird üblicherweise durch einen Ladeluftkühler 19 gekühlt und kann über eine als elektronisch gesteuerte Drosselklappe ausgeführte Abgasrückführdrossel 10 dem Zuluftkrümmer 3 des Verbrennungsmotors 2 zugeführt werden. Die Abgasrückführdrossel 10 kann jedoch erfindungsgemäß entfallen, da die Steuerung der Abgasrückführmenge über eine mit einem Rotor 6 verbundene elektrische Maschine 8 erfolgen kann. Die über den Rotor 6 geleitete Ladeluft versetzt den Rotor 6 in Bewegung und betreibt auf diese Weise die elektrische Maschine 8 als Generator. Die dabei erzeugte elektrische Leistung wird an ein Bordnetz 9 geleitet, wo sie für den Betrieb elektrischer Komponenten des Kraftfahrzeugs 1 zur Verfügung steht oder in einer Batterie oder einem Kondensator gespeichert werden kann. Durch die Rekuperation von elektrischer Leistung im Zuluftstrom wird die vom Verdichter 11 verdichtete Luft wieder teilweise expandiert, so dass der Ladedruck abnimmt und eine entsprechend größere Abgasrückführrate eingestellt wird. Die Steuerung der Abgasrückführrate kann dadurch in kraftstoffsparender Weise durchgeführt werden.The supply air compressed by the compressor 11 is usually cooled by an intercooler 19 and can be supplied to the supply air manifold 3 of the internal combustion engine 2 via an exhaust gas recirculation throttle 10 designed as an electronically controlled throttle valve. According to the invention, however, the exhaust gas recirculation throttle 10 can be omitted since the exhaust gas recirculation quantity can be controlled via an electric machine 8 connected to a rotor 6 . The charge air conducted via the rotor 6 sets the rotor 6 in motion and in this way operates the electric machine 8 as a generator. The electrical power generated in this way is routed to an on-board network 9, where it is available for the operation of electrical components of the motor vehicle 1 or can be stored in a battery or a capacitor. Due to the recuperation of electrical power in the supply air flow, the air compressed by the compressor 11 is partially expanded again, so that the charging pressure decreases and a correspondingly larger exhaust gas recirculation rate is set. The control of the exhaust gas recirculation rate can thereby be performed in a fuel-saving manner.

Parallel zu dem Rotor 6 kann ein Bypassventil 7 angeordnet sein, um den über den Rotor 6 geleiteten Anteil des Zuluftstroms zu steuern. Der Rotor 6 und das Bypassventil 7 stellen hierbei einen typischen sogenannten Booster 5 dar, wobei das Bypassventil 7 in einem Boostbetriebsmodus gemäß dem Stand der Technik geschlossen und der Rotor 6 für eine zusätzliche Verdichtung elektrisch angetrieben wird.A bypass valve 7 can be arranged parallel to the rotor 6 in order to control the proportion of the supply air flow routed via the rotor 6 . The rotor 6 and the bypass valve 7 here represent a typical so-called booster 5, the bypass valve 7 being closed and closed in a boost operating mode according to the prior art the rotor 6 is electrically driven for additional compression.

Die Erfindung ermöglicht in einem Drosselbetriebsmodus die Erhöhung der Abgasrückführrate unter Rückgewinnung eines Teils der Motorleistung, was den Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung erhöht. Dabei wird die Leistung zudem vorteilhafterweise nicht auf der Abgasseite des Verbrennungsmotors 2 entnommen, etwa durch eine mit einem elektrischen Generator verbundene Abgasturbine, sondern auf der Zuluftseite. Dies bietet den Vorteil, dass der Rotor 6 nicht den abgasseitig typischen erhöhten Temperaturen und aggressiven chemischen Stoffen ausgesetzt wird, was die Lebenszeit der Vorrichtung erhöht.The invention enables the exhaust gas recirculation rate to be increased in a throttle operating mode with the recovery of part of the engine power, which increases the efficiency of the overall device. In this case, the power is also advantageously not taken from the exhaust gas side of the internal combustion engine 2, for example by an exhaust gas turbine connected to an electric generator, but rather on the intake air side. This offers the advantage that the rotor 6 is not exposed to the increased temperatures and aggressive chemical substances that are typical on the exhaust gas side, which increases the service life of the device.

Der Rotor 6 und die elektrische Maschine 8 können erfindungsgemäß in einem Boostbetriebsmodus des Verbrennungsmotors 2 auch als Kompressor verwendet werden. In diesem Fall treibt die elektrische Maschine 8 den Rotor 6 an und erhöht damit den Verdichtungsgrad der Zuluft für den selbstzündenden Verbrennungsmotor 2. Dadurch wird die Aufladung des Verbrennungsmotors 2 erhöht, so dass auch dessen Antriebsleistung steigt. Der Boostbetriebsmodus erlaubt die Verwendung von Verbrennungsmotoren mit reduziertem Hubraum, was die für dieses „Downsizing“ typischen Effizienzgewinne bewirkt.According to the invention, the rotor 6 and the electric machine 8 can also be used as a compressor in a boost operating mode of the internal combustion engine 2 . In this case, the electric machine 8 drives the rotor 6 and thus increases the degree of compression of the intake air for the self-igniting internal combustion engine 2. This increases the charging of the internal combustion engine 2, so that its drive power also increases. The boost operating mode allows the use of combustion engines with reduced displacement, which brings about the efficiency gains typical of this "downsizing".

Die Erfindung wurde bezugnehmend auf Ausführungsbeispiele näher erläutert, ist jedoch nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt. Variationen der Erfindung können vom Fachmann aus den Ausführungsbeispielen abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.The invention was explained in more detail with reference to exemplary embodiments, but is not restricted by the examples disclosed. Variations of the invention can be derived by a person skilled in the art from the exemplary embodiments without departing from the protective scope of the invention as defined in the claims.

BezugszeichenlisteReference List

11
Kraftfahrzeugmotor vehicle
22
Verbrennungsmotorcombustion engine
33
Zuluftkrümmerinlet manifold
44
Abgaskrümmerexhaust manifold
55
Boosterbooster
66
Rotorrotor
77
Bypassventilbypass valve
88th
elektrische Maschineelectric machine
99
Bordnetzelectrical system
1010
Abgasrückführdrosselexhaust gas recirculation throttle
1111
Verdichtercompressor
1212
Abgasturbineexhaust turbine
1313
Luftfilterair filter
1414
Abgasnachbehandlungsvorrichtungexhaust aftertreatment device
1515
AuspuffExhaust
1616
Abgasrückführungexhaust gas recirculation
1717
Abgasrückführventilexhaust gas recirculation valve
1818
Abgasrückführungskühlerexhaust gas recirculation cooler
1919
Ladeluftkühlerintercooler
2020
Wastegatewastegate

Claims (8)

Ein Verfahren zum Betreiben eines selbstzündenden Verbrennungsmotors (2) mit einem Zulufttrakt (13, 11, 19, 5, 3), der ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor (2) einen Zuluftstrom zuzuführen, und der einen Verdichter (11) eines Abgasturboladers (11, 12), eine mit einem in dem Zuluftstrom angeordneten Rotor (6) verbundene elektrische Maschine (8) und eine von einem Abgastrakt (4, 12, 20, 14, 15) des Verbrennungsmotors (2) zu einer stromabwärts des Rotors (6) gelegenen Einspeisestelle führende Abgasrückführung (16) aufweist und bei dem die Abgasrückführung (16) ohne Abgasrückführventil (17) ausgeführt ist, das Verfahren aufweisend einen Schritt des Einstellens einer gewünschten Abgasrückführrate in einem Drosselbetriebsmodus des Verbrennungsmotors (2), in dem die elektrische Maschine (8) in einem Generatormodus und in Abhängigkeit von der gewünschten Abgasrückführrate betrieben wird, wobei die dadurch dem Zuluftstrom entnommene Leistung einem elektrischen Bordnetz (9) zugeführt wird.A method for operating a self-igniting internal combustion engine (2) with an intake air section (13, 11, 19, 5, 3) which is designed to supply an intake air flow to the internal combustion engine (2) and which has a compressor (11) of an exhaust gas turbocharger (11, 12), an electric machine (8) connected to a rotor (6) arranged in the supply air flow and one located from an exhaust tract (4, 12, 20, 14, 15) of the internal combustion engine (2) to one downstream of the rotor (6). exhaust gas recirculation (16) leading to the feed point and in which the exhaust gas recirculation (16) is designed without an exhaust gas recirculation valve (17), the method having a step of setting a desired exhaust gas recirculation rate in a throttle operating mode of the internal combustion engine (2), in which the electric machine (8) is operated in a generator mode and depending on the desired exhaust gas recirculation rate, the power thus drawn from the supply air flow being fed to an on-board electrical system (9). Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem die elektrische Maschine (8) in einem Boostbetriebsmodus des Verbrennungsmotors (2) in einem Motorbetriebsmodus betrieben und dadurch ein Ladedruck des Verbrennungsmotors (2) erhöht wird.The method of the preceding claim, in which the electric machine (8) is operated in a boost operating mode of the internal combustion engine (2) in a motor operating mode and a boost pressure of the internal combustion engine (2) is thereby increased. Das Verfahren des vorhergehenden Anspruchs, bei dem in dem Boostbetriebsmodus der Zuluftstrom vollständig über den mit der elektrischen Maschine (8) verbundenen Rotor (6) geleitet wird.The method of the preceding claim, in which, in the boost operating mode, the supply air flow is routed completely over the rotor (6) connected to the electric machine (8). Das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in dem Drosselbetriebsmodus ein variabel vorgebbarer Teil des Zuluftstroms an dem mit der elektrischen Maschine (8) verbundenen Rotor (6) vorbeigeleitet wird.The method of one of the preceding claims, in which, in the throttle operating mode, a variably predeterminable part of the supply air flow is routed past the rotor (6) connected to the electric machine (8). Ein selbstzündender Verbrennungsmotor (2) mit einem Zulufttrakt (13, 11, 19, 5, 3), der ausgebildet ist, dem Verbrennungsmotor (2) einen Zuluftstrom zuzuführen, und der einen Verdichter (11) eines Abgasturboladers (11, 12), eine mit einem in dem Zuluftstrom angeordneten Rotor (6) verbundene elektrische Maschine (8) und eine von einem Abgastrakt des Verbrennungsmotors (2) zu einer stromabwärts des Rotors (6) gelegenen Einspeisestelle führende Abgasrückführung (16) aufweist, gekennzeichnet durch ein Steuergerät, welches ausgebildet ist, das Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen und dadurch, dass die Abgasrückführung (16) ohne Abgasrückführventil (17) ausgeführt ist.A self-igniting internal combustion engine (2) with an intake air tract (13, 11, 19, 5, 3), which is designed to supply the internal combustion engine (2) with an intake air flow, and a compressor (11) of an exhaust gas turbocharger (11, 12), a with a inside the rotor (6) arranged in the intake air flow and has an exhaust gas recirculation system (16) leading from an exhaust tract of the internal combustion engine (2) to a feed point located downstream of the rotor (6), characterized by a control unit which is designed to Method of carrying out one of the preceding claims and characterized in that the exhaust gas recirculation (16) is designed without an exhaust gas recirculation valve (17). Der Verbrennungsmotor (2) des vorhergehenden Anspruchs, mit einem parallel zu dem Rotor (6) angeordneten Bypass-Ventil (7).The internal combustion engine (2) of the preceding claim, with a bypass valve (7) arranged in parallel with the rotor (6). Der Verbrennungsmotor (2) eines der Ansprüche 5 oder 6, bei dem der Rotor (6) und die elektrische Maschine (8) Teile eines elektrischen Kompressors sind.The internal combustion engine (2) of one of the Claims 5 or 6 , in which the rotor (6) and the electric machine (8) are parts of an electric compressor. Ein Kraftfahrzeug (1) mit einem Verbrennungsmotor (2) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7.A motor vehicle (1) with an internal combustion engine (2) according to one of Claims 5 until 7 .
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