DE102015215518A1

DE102015215518A1 - System for recovering energy from the exhaust gas of an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102015215518A1
Application number: DE102015215518.8A
Authority: DE
Inventors: Norbert Brehm; Christian Dönitz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2015-08-14
Filing date: 2015-08-14
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Das Brennkraftmaschinensystem weist eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt zur Aufnahme und Zuführung von Umgebungsluft zur Brennkraftmaschine sowie mit einem Abgasstrang zur Ausleitung eines Abgasstroms aus der Brennkraftmaschine auf. In dem Abgasstrang sind in Abgasströmungsrichtung nacheinander angeordnet: eine Turbine, ein Abgaskühler und ein Abgasverdichter. Die Turbine ist konfiguriert, von dem Abgasstrom angetrieben zu werden und diesen dabei unter Leistung von Arbeit von einem ersten Druckniveau, das größer oder gleich dem Umgebungsdruck ist, auf ein zweites Druckniveau unterhalb des Umgebungsdrucks zu expandieren. Der Abgaskühler ist konfiguriert, den expandierten Abgasstrom abzukühlen. Der Abgasverdichter ist konfiguriert, den mittels des Abgaskühlers abgekühlten Abgasstrom auf Umgebungsdruck zu verdichten und zumindest teilweise der Umgebung zuzuführen. Des Weiteren weist das Brennkraftmaschinensystem eine mit der Turbine zur Übertragung von Bewegungsenergie gekoppelte elektrische Maschine zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie auf. Zum Umfang der Erfindung gehört auch ein Fahrzeug mit einem solchen Brennkraftmaschinensystem.The invention relates to an internal combustion engine system, in particular for motor vehicles. The internal combustion engine system has an internal combustion engine with an intake tract for receiving and supplying ambient air to the internal combustion engine and with an exhaust gas system for discharging an exhaust gas flow from the internal combustion engine. In the exhaust gas line are arranged sequentially in the exhaust gas flow direction: a turbine, an exhaust gas cooler and an exhaust gas compressor. The turbine is configured to be powered by the exhaust flow, thereby expanding it from a first pressure level greater than or equal to ambient pressure to a second pressure level below ambient pressure. The exhaust gas cooler is configured to cool the expanded exhaust stream. The exhaust gas compressor is configured to compress the exhaust gas flow cooled by the exhaust gas cooler to ambient pressure and at least partially to the environment. Furthermore, the internal combustion engine system has an electric machine coupled to the turbine for transmitting kinetic energy for converting kinetic energy into electrical energy. The scope of the invention also includes a vehicle with such an internal combustion engine system.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem insbesondere für Kraftfahrzeuge. Speziell betrifft die Erfindung ein Brennkraftmaschinensystem, bei dem aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine im Abgas verbliebene Restenergie teilweise zur weiteren Nutzung wiedergewonnen werden kann.The present invention relates to an internal combustion engine system, in particular for motor vehicles. Specifically, the invention relates to an internal combustion engine system in which residual energy remaining in the exhaust gas from the exhaust stream of an internal combustion engine can be partially recovered for further use.

Bei einer Brennkraftmaschine wird chemische Energie, die in einem Energieträger gebunden ist, der insbesondere ein Kraftstoff-Luft-Gemisch sein kann, teilweise in nutzbare Bewegungsenergie sowie unter anderem in Wärme- und Bewegungsenergie des beim Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine entstehenden Abgases umgewandelt. Dementsprechend ist der Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine, der als das Verhältnis der von ihr geleisteten Nutzarbeit zur dafür aufgenommenen Energie definiert ist, stets deutlich geringer als 100%. Der nach dem Verbrennungsvorgang aus der Brennkraftmaschine ausgeleitete Abgasstrom weist in der Regel sowohl erhebliche Wärmeenergie als auch erhebliche Bewegungsenergie auf, also aus dem Energieträger entnommene Energien, die von der Brennkraftmaschine zunächst jedoch nicht in Nutzarbeit umgesetzt wurden.In an internal combustion engine, chemical energy that is bound in an energy carrier, which may be, in particular, a fuel-air mixture, is partially converted into usable kinetic energy and, inter alia, heat and kinetic energy of the exhaust gas produced during the combustion process in the internal combustion engine. Accordingly, the efficiency of an internal combustion engine, which is defined as the ratio of the useful work done by it to the energy consumed, is always significantly less than 100%. The exhaust gas stream discharged from the internal combustion engine after the combustion process generally has considerable heat energy as well as considerable kinetic energy, that is to say energies extracted from the energy source which, however, were initially not converted into useful work by the internal combustion engine.

Vor diesem Hintergrund sind aus dem Stand der Technik verschiedene Maßnahmen bekannt, um im Abgas noch vorhandene Restenergie weiter nutzbar zu machen. Insbesondere für Brennkraftmaschinen, welche als Verbrennungsmotor von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, sind sogenannte Abgasturbolader bekannt. Dabei wird die Strömungsenergie des Abgases genutzt, um eine im Abgasstrang angeordnete Turbine zu treiben. Die über die Turbine abgegriffene Bewegungsenergie wird dazu eingesetzt, einen Luftverdichter anzutreiben, der die der Brennkraftmaschine zur Herstellung eines als Energieträger wirkendenden Luft-Kraftstoffgemisches zugeführte Luft komprimiert, d. h. den Verbrennungsmotor „auflädt”. Zudem gibt es Turbo-Compound-Systeme, bei denen die Bewegungsenergie des Abgasstroms außer durch die Turbine eines Turboladers auch durch eine nachgeschaltete Nutzturbine verwertet wird.Against this background, various measures are known from the prior art to make residual energy still available in the exhaust gas usable. In particular, for internal combustion engines, which are used as internal combustion engine of motor vehicles, so-called exhaust gas turbochargers are known. In this case, the flow energy of the exhaust gas is used to drive a turbine disposed in the exhaust line. The kinetic energy tapped via the turbine is used to drive an air compressor, which compresses the air supplied to the internal combustion engine for producing an air-fuel mixture acting as an energy carrier, d. H. the internal combustion engine "charges". In addition, there are turbo-compound systems in which the kinetic energy of the exhaust gas flow is utilized not only by the turbine of a turbocharger but also by a downstream turbine.

Des Weiteren sind Maßnahmen bekannt, bei denen stattdessen oder zusätzlich die im Abgas enthaltene thermische Energie teilweise in eine andere nutzbare Energieform umgewandelt wird. So sind etwa bei Rennfahrzeugen für die FIA-Langstreckenweltmeisterschaft seit 2012 sogenannte „Heat Energy Recovery Systeme (HERS, engl. für System zur Rückgewinnung von Wärmeenergie) erlaubt. Dabei handelt es sich um Systeme zur Wandlung von thermischer Energie aus dem Abgas von Verbrennungsmotoren in elektrische oder mechanische Energie, wobei hauptsächlich sekundäre thermodynamische Kreisprozesse zum Einsatz kommen. Auch das Verwenden eines dampfbasierten thermodynamischen Kreisprozesses (Claudius-Rankine-Prozess) sowie die Verwendung eines offenen Gasturbinenprozesses zur teilweisen Rückgewinnung von nutzbarer Energie aus der thermischen Energie des Abgases sind bekannt.Furthermore, measures are known in which, instead or in addition, the thermal energy contained in the exhaust gas is partially converted into another usable form of energy. For example, in racing vehicles for the FIA World Endurance Championship since 2012, so-called "Heat Energy Recovery Systems (HERS) for heat recovery systems are permitted. These are systems for the conversion of thermal energy from the exhaust gas of internal combustion engines into electrical or mechanical energy, mainly using secondary thermodynamic cycles. The use of a steam-based thermodynamic cycle (Claudius-Rankine process) as well as the use of an open gas turbine process for the partial recovery of usable energy from the thermal energy of the exhaust gas are known.

Die internationale Patentanmeldung WO 2010/000285 A1 beschreibt dazu eine Brennkraftmaschine und ein Verfahren zu deren Betrieb unter Umwandlung von thermischer Abgasenergie in mechanische Leistung, bei welchem Wärme aus dem Abgasstrom der Brennkraftmaschine auf das vorverdichtete gasförmige Medium eines offenen Gasturbinenprozesses in einem zwischen einem Verdichter und einer Gasturbine angeordneten Wärmetauscher übertragen wird, wobei die mechanische Leistung des Gasturbinenprozesses einer Arbeitsmaschine zugeführt wird. Den vorgenannten auf Kreisprozessen beruhenden Lösungen ist es gemein, dass sie mittels eines vom Abgas separaten Arbeitsmediums betrieben werden und mittels eines Wärmetauschers ein Wärmeübertrag vom Abgas auf das separate Arbeitsmedium erfolgt.The international patent application WO 2010/000285 A1 describes an internal combustion engine and a method of operating the same by converting thermal exhaust energy to mechanical power, wherein heat is transferred from the exhaust stream of the internal combustion engine to the precompressed gaseous medium of an open gas turbine process in a heat exchanger disposed between a compressor and a gas turbine, wherein the mechanical power of the gas turbine process of a working machine is supplied. The abovementioned solutions based on cycle processes have in common that they are operated by means of a working medium separate from the exhaust gas and heat transfer from the exhaust gas to the separate working medium takes place by means of a heat exchanger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Energierückgewinnung aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine weiter zu verbessern. Insbesondere ist es wünschenswert, den Kraftstoffverbrauch von Brennkraftmaschinen weiter zu senken.The invention has for its object to further improve the energy recovery from the exhaust gas of an internal combustion engine. In particular, it is desirable to further reduce the fuel consumption of internal combustion engines.

Eine Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht durch ein Brennkraftmaschinensystem gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Fahrzeug gemäß Anspruch 12 mit einem derartigen Brennkraftmaschinensystem.A solution to this problem is achieved according to the teaching of the independent claims by an internal combustion engine system according to claim 1 and by a vehicle according to claim 12 with such an internal combustion engine system.

Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Various embodiments and development of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennkraftmaschinensystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge. Das Brennkraftmaschinensystem weist eine Brennkraftmaschine mit einem Ansaugtrakt zur Aufnahme und Zuführung von Umgebungsluft zur Brennkraftmaschine sowie mit einem Abgasstrang zur Ausleitung eines Abgasstroms aus der Brennkraftmaschine auf. Des Weiteren weist sie in dem Abgasstrang in Abgasströmungsrichtung nacheinander angeordnet auf:

– eine Turbine, die konfiguriert ist, von dem Abgasstrom angetrieben zu werden und diesen dabei unter Leistung von Arbeit von einem ersten Druckniveau, das größer oder gleich dem Umgebungsdruck ist, auf ein zweites Druckniveau unterhalb des Umgebungsdrucks zu expandieren;
– einen Abgaskühler, der konfiguriert ist, den expandierten Abgasstrom abzukühlen;
– einen Abgasverdichter, der konfiguriert ist, den mittels des Abgaskühlers abgekühlten Abgasstrom auf Umgebungsdruck zu verdichten und zumindest teilweise der Umgebung zuzuführen.

A first aspect of the invention relates to an internal combustion engine system, in particular for motor vehicles. The internal combustion engine system has an internal combustion engine with an intake tract for receiving and supplying ambient air to the internal combustion engine and with an exhaust gas system for discharging an exhaust gas flow from the internal combustion engine. Furthermore, it has in the exhaust gas line in the exhaust gas flow direction arranged successively:

A turbine configured to be powered by the exhaust stream and thereby expanding it under work from a first pressure level greater than or equal to the ambient pressure to a second pressure level below the ambient pressure;
An exhaust gas cooler configured to cool the expanded exhaust gas stream;
- An exhaust gas compressor, which is configured to compress the cooled by means of the exhaust gas cooler exhaust gas flow to ambient pressure and at least partially supply the environment.

Des Weiteren weist das Brennkraftmaschinensystem eine mit der Turbine zur Übertragung von Bewegungsenergie gekoppelte oder koppelbare elektrische Maschine zur Wandlung von Bewegungsenergie in elektrische Energie auf.Furthermore, the internal combustion engine system has an electric machine coupled to the turbine for the transmission of kinetic energy for the purpose of converting kinetic energy into electrical energy.

Unter einer „Umgebungsluft” im Sinne der Erfindung ist Luft zu verstehen, die im räumlichen Umfeld, d. h. der Umgebung der Brennkraftmaschine vorhanden ist und für den in der Brennkraftmaschine stattfindenden Verbrennungsprozess genutzt werden kann.Under an "ambient air" in the context of the invention air is to be understood that in the spatial environment, d. H. the environment of the internal combustion engine is present and can be used for the combustion process taking place in the internal combustion engine.

Unter „Umgebungsdruck” bzw. „Umgebungstemperatur” im Sinne der Erfindung ist dementsprechend der Luftdruck bzw. die Temperatur der Umgebungsluft zu verstehen. Regelmäßig sind dies der Luftdruck bzw. die Temperatur der Luftatmosphäre der Erde am Ort der Brennkraftmaschine zum Zeitpunkt ihres Betriebs.Accordingly, "ambient pressure" or "ambient temperature" in the sense of the invention means the air pressure or the temperature of the ambient air. These are usually the air pressure or the temperature of the air atmosphere of the earth at the location of the internal combustion engine at the time of their operation.

Mehrere Bestandteile des Brennkraftmaschinensystem sind im Sinne der Erfindung „in Abgasströmungsrichtung nacheinander angeordnet”, wenn sie so im Abgasstrang angeordnet sind, dass das von der Brennkraftmaschine ausgeleitete Abgas die verschiedenen Bestandteile in der genannten Reihenfolge erreicht, wenn es in Abgasstromrichtung den Abgasstrang durchströmt. Dabei ist die Abgasstromrichtung definiert als die hauptsächliche Bewegungsrichtung des Abgases entlang des Verlaufs des Abgasstrangs, nämlich von der Brennkraftmaschine ausgehend bis zum Ausgang des Abgasstrangs nach dem bzw. am Abgasverdichter.Several components of the internal combustion engine system are arranged in the sense of the invention "in the exhaust flow direction one after the other", if they are arranged in the exhaust line, that the exhaust gas discharged from the engine reaches the various components in the order mentioned, when it flows through the exhaust line in the exhaust gas flow direction. In this case, the exhaust gas flow direction is defined as the main direction of movement of the exhaust gas along the path of the exhaust gas line, namely starting from the internal combustion engine to the exit of the exhaust gas line after or at the exhaust gas compressor.

Unter einer „Kopplung” bzw. „gekoppelt” im Sinne der Erfindung ist eine Verbindung zweier Bauteile zu verstehen, die so geartet ist, dass darüber Bewegungsenergie, insbesondere in Form von Rotationsenergie, übertragbar ist. Die Kopplung kann insbesondere mechanisch mittels einer unmittelbaren oder mittelbaren Verbindung der Bauteile erfolgen. Bei einer mittelbaren Kopplung wird diese über ein oder mehrere andere Bauteile oder berührungslos über ein Kraftfeld, etwa ein magnetisches oder elektrisches Kraftfeld, vermittelt. „Koppelbar” bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die entsprechende Kopplung zumindest temporär herstellbar ist.For the purposes of the invention, a "coupling" or "coupled" is to be understood as meaning a connection of two components which is such that kinetic energy, in particular in the form of rotational energy, can be transmitted via it. The coupling can in particular be effected mechanically by means of a direct or indirect connection of the components. In the case of an indirect coupling, this is mediated via one or more other components or contactlessly via a force field, for example a magnetic or electric force field. "Coupling" in the sense of the invention means that the corresponding coupling can be produced at least temporarily.

Unter einer „elektrischen Maschine” im Sinne der Erfindung ist unabhängig von ihrer speziellen Bauart, etwa als Gleichstrom- oder Wechselstrommaschine, eine Maschine zur Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie (die Maschine wirkt dann als Generator) oder umgekehrt (die Maschine wirkt dann als Elektromotor) zu verstehen.An "electric machine" in the sense of the invention, regardless of its specific design, such as a DC or AC machine, a machine for converting mechanical kinetic energy into electrical energy (the machine then acts as a generator) or vice versa (the machine then acts as Electric motor) to understand.

Beim Brennkraftmaschinensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine ein thermodynamischer Kreisprozess nachgeschaltet, der mit dem Abgas bzw. der Umgebungsluft als Arbeitsmedium arbeitet, ohne ein separates Arbeitsmedium zu erfordern. Anders als etwa beim vorausgehend beschriebenen Gasturbinenprozess wird dabei kein separates Arbeitsmedium für den Kreisprozess eingesetzt und erst mittels eines Wärmetauschers aufgeheizt. Auch eine Vorverdichtung des Arbeitsmediums in dessen Kreislauf auf einen Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck erfolgt nicht. Stattdessen wird das Abgas über die Turbine auf ein Druckniveau expandiert, welches durch den Abgasverdichter an dessen Ansaugseite erzeugt wird und welches unterhalb des Umgebungsdrucks liegt. Somit ergibt sich ein Druckunterschied zwischen dem Abgasdruck am Ausgang der Brennkraftmaschine und dem Abgasdruck in Abgasstromrichtung hinter der Turbine. Dieser Druckunterschied erhöht die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch die Turbine, so dass deren abgreifbare Leistung ebenfalls ansteigt. Mittels des Abgasverdichters wird das zuvor mittels des Abgaskühlers abgekühlte Abgas wieder auf Umgebungsdruck verdichtet und an die Umgebung abgegeben. Die Brennkraftmaschine wiederum entnimmt für ihren Verbrennungsprozess Umgebungsluft unter Umgebungsdruck aus der Umgebung, so dass der thermodynamische Kreislauf geschlossen ist. Da die an der Turbine beim Expandieren des heißen Abgases geleistete Arbeit höher ist als die am Abgasverdichter zum Verdichten des abgekühlten Abgases erforderliche Arbeit, ergibt sich ein positiver Arbeitsüberschuss, der mittels der als Generator wirkenden elektrischen Maschine in elektrische Energie gewandelt werden kann und als aus der Abgasrestenergie gewonnene Nutzenergie verfügbar ist. So wird die zugrunde liegende Aufgabe gelöst.In the internal combustion engine system according to the first aspect of the invention, the combustion process in the internal combustion engine is followed by a thermodynamic cycle which operates with the exhaust gas or the ambient air as the working medium, without requiring a separate working medium. Unlike the gas turbine process described above, no separate working medium is used for the cycle and first heated by means of a heat exchanger. Also, a pre-compression of the working fluid in its circulation to an overpressure relative to the ambient pressure does not occur. Instead, the exhaust gas is expanded via the turbine to a pressure level, which is generated by the exhaust gas compressor on the suction side and which is below the ambient pressure. This results in a pressure difference between the exhaust pressure at the output of the internal combustion engine and the exhaust gas pressure in the exhaust gas flow direction behind the turbine. This pressure difference increases the flow rate of the exhaust gas through the turbine, so that their tapped performance also increases. By means of the exhaust gas compressor, the previously cooled by the exhaust gas cooler exhaust gas is compressed back to ambient pressure and released to the environment. The internal combustion engine, in turn, extracts ambient air from the environment under ambient pressure for its combustion process, so that the thermodynamic cycle is closed. Since the work performed on the turbine when expanding the hot exhaust gas is higher than the work required on the exhaust gas compressor for compressing the cooled exhaust gas, there is a positive excess of work, which can be converted into electrical energy by means of acting as a generator electric machine and as from Exhaust residual energy obtained useful energy is available. This solves the underlying task.

Mögliche weitere Vorteile liegen dabei darin, dass im Gegensatz zu den vorgenannten Lösungen aus dem Stand der Technik, bei denen jeweils separate Kreisprozesse implementiert werden müssen und insbesondere auch höhere Drücke für das Arbeitsmedium verwendet werden (was wiederum entsprechend druckfeste Bauteile, insbesondere Wärmetauscher, für die Implementierung des entsprechenden Kreisprozesses erfordert), ein deutlich geringerer Implementierungsaufwand anfällt. Insbesondere ist so ein besseres Aufwand/Nutzen-Verhältnis realisierbar. Des Weiteren kann die gewonnene Nutzenergie wieder zum Betrieb des Brennkraftmaschinensystems selbst, etwa zum Antrieb eines Luftverdichters im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, eingesetzt werden. Insgesamt können so der Wirkungsgrad des Brennkraftmaschinensystems als Ganzes sowie damit zusammenhängend auch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine verringert werden.Possible further advantages are that in contrast to the aforementioned solutions from the prior art, in which each separate cycle processes must be implemented and in particular higher pressures for the working medium are used (which in turn correspondingly pressure-resistant components, in particular heat exchangers, for Implementation of the appropriate cycle process requires), a much lower implementation effort is incurred. In particular, such a better cost / benefit ratio can be realized. Furthermore, the recovered useful energy again for the operation of the internal combustion engine system itself, such as to drive a Air compressor in the intake of the internal combustion engine, are used. Overall, the efficiency of the internal combustion engine system as a whole as well as the fuel consumption of the internal combustion engine can be reduced as a result.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen des Brennkraftmaschinensystems und dessen Weiterbildungen beschrieben, die jeweils, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird, beliebig miteinander kombiniert werden können.Hereinafter, preferred embodiments of the internal combustion engine system and its developments are described, each of which, unless it is not expressly excluded, can be combined with each other as desired.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Brennkraftmaschinensystem konfiguriert, bei seinem Betrieb einen thermodynamischen Kreisprozess mit Luft bzw. Luft enthaltendem Abgas als Arbeitsmedium auszuführen, wobei der Kreisprozess die folgenden in der genannten Reihenfolge nacheinander ablaufenden Prozessabschnitte aufweist:

(S1) Wärmezufuhr mittels Abgas aus der Brennkraftmaschine;
(S2) isentrope Expansion an der Turbine;
(S3) isobare Wärmeabfuhr am Abgaskühler;
(S4) isentrope Kompression am Abgasverdichter.

According to a first preferred embodiment, the internal combustion engine system is configured to perform a thermodynamic cyclic process with air or air-containing exhaust gas as the working medium during operation, the cyclic process having the following process sections which proceed successively in the named sequence:

(S1) heat supply by means of exhaust gas from the internal combustion engine;
(S2) isentropic expansion at the turbine;
(S3) isobaric heat removal at the exhaust gas cooler;
(S4) isentropic compression at the exhaust gas compressor.

Ein solcher Kreisprozess ist insbesondere, wenn dabei Schritt S1 isobar abläuft, unter dem Namen „Joule-Kreisprozess” oder „Brayton-Kreisprozess” bekannt und eignet sich besonders als Arbeitsprozess, bei dem eine Expansion des Arbeitsmediums über eine Gasturbine erfolgt, ohne dass dabei nennenswert Wärme mit der Gasturbine ausgetauscht wird (adiabatische Turbine). Für den theoretischen Wirkungsgrad η eines solchen Kreisprozesses gilt: η = 1 – T1/T2 = 1 – (p1/p2)^(κ-1)κ Such a cycle process is known, in particular, if step S1 isobaric, under the name "Joule cycle" or "Brayton cycle" known and is particularly suitable as a working process, in which an expansion of the working medium via a gas turbine, without thereby appreciable Heat is exchanged with the gas turbine (adiabatic turbine). For the theoretical efficiency η of such a cycle, the following applies: η = 1 - T1 / T2 = 1 - (p1 / p2) ^{(κ-1) κ}

Dabei stehen T1 bzw. T2 und p1 bzw. p2 für die Temperaturen bzw. die Drücke zu Beginn bzw. am Ende des isentropen Verdichtungsprozessabschnitts und κ ist der stoffabhängige Isentropenkoeffizient des Arbeitsmediums. Für Luft gilt κ ≈ 1,4. Der Wirkungsgrad hängt somit vom Verdichtungsverhältnis p1/p2 ab.Here, T1 or T2 and p1 or p2 stand for the temperatures or the pressures at the beginning or at the end of the isentropic compression process section and κ is the substance-dependent isentrope coefficient of the working medium. For air κ ≈ 1.4. The efficiency thus depends on the compression ratio p1 / p2.

Wird ein solcher Kreisprozess real in einer Maschine ausgeführt, so kommt es in aller Regel zu geringfügigen Abweichungen vom theoretischen Joule-Kreisprozess. Dies kann insbesondere aufgrund von irreversiblen technischen Zustandsänderungen, v. a. in den theoretisch isentropen Prozessabschnitten oder durch unbeabsichtigte oder unvermeidbare Druckverluste in den theoretisch isobaren Prozessabschnitten auftreten. Auch entsprechen die in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Ottomotor oder Dieselmotor ablaufenden realen Prozesse, mittels derer bei der Verbrennung heißes Abgas erzeugt wird, in aller Regel nicht streng isobaren Erwärmungsprozessen.If such a circular process is actually carried out in a machine, minor deviations from the theoretical Joule cycle usually occur. This may be due in particular to irreversible technical state changes, v. a. occur in the theoretically isotropic process sections or by unintentional or unavoidable pressure losses in the theoretically isobaric process sections. Also, the real processes taking place in an internal combustion engine, in particular in a gasoline engine or diesel engine, by means of which hot exhaust gas is produced during combustion, generally do not correspond to strictly isobaric heating processes.

Um dies zu berücksichtigen ist ein Prozessabschnitt „isobar” im Sinne der Erfindung, wenn in diesem Prozessabschnitt der tatsächlich auftretende Druck p des Arbeitsmediums vom Ausgangsdruck p₀ zu Beginn des Prozessabschnitts durchgängig um nicht mehr als 5% abweicht. Gleichermaßen ist ein Prozessabschnitt „isentrop” im Sinne der Erfindung, wenn in diesem Prozessabschnitt die tatsächlich auftretende Entropie S des Arbeitsmediums von der Ausgangsentropie S₀ zu Beginn des Prozessabschnitts durchgängig um nicht mehr als 5% abweicht.In order to take this into account, a process section is "isobaric" in the sense of the invention, if in this process section the actual occurring pressure p of the working medium deviates consistently from the initial pressure p ₀ at the beginning of the process section by no more than 5%. Likewise, a process section is "isentropic" in the sense of the invention if, in this process section, the actually occurring entropy S of the working medium deviates from the initial entropy S ₀ at the beginning of the process section by no more than 5%.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Turbine und der Abgasverdichter über eine Welle miteinander zur Übertragung von Bewegungsenergie gekoppelt. Auf diese Weise kann der Abgasverdichter auf einfache Weise unmittelbar über die Welle durch die mittels des Abgasstroms in Bewegung versetzte Turbine angetrieben werden. Die elektrische Maschine ist dann zweckmäßigerweise ebenfalls mit dieser gemeinsamen Welle verbunden, um die überschüssige Antriebsenergie abzunehmen und in elektrische Energie umzuwandeln. Dazu kann sie insbesondere entweder in unmittelbarer Umgebung des Abgasverdichters oder der Turbine angeordnet sein, wodurch sich eine raumsparende Lösung erreichen lässt.According to a further preferred embodiment, the turbine and the exhaust gas compressor are coupled to each other via a shaft for transmitting kinetic energy. In this way, the exhaust gas compressor can be driven in a simple manner directly via the shaft through the offset by means of the exhaust gas flow turbine. The electric machine is then conveniently also connected to this common shaft to remove the excess drive energy and convert it into electrical energy. For this purpose, it can be arranged in particular either in the immediate vicinity of the exhaust gas compressor or the turbine, whereby a space-saving solution can be achieved.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind an der Welle eine oder mehrere Übersetzungsvorrichtungen vorgesehen, um eine entsprechende Drehzahl- bzw. Drehmomentanpassung für die Übertragung der Bewegungsenergie bereitzustellen. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn die über die Welle miteinander gekoppelten Elemente nicht mit der gleichen Drehzahl bewegt werden sollen. So könnte etwa die Turbine eine höhere Drehzahl aufweisen als der Abgasverdichter.According to a preferred embodiment of this embodiment, one or more translation devices are provided on the shaft to provide a corresponding speed or torque adjustment for the transmission of kinetic energy. This may be particularly advantageous if the coupled via the shaft elements are not to be moved at the same speed. For example, the turbine could have a higher speed than the exhaust gas compressor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brennkraftmaschinensystem des Weiteren die folgenden Elemente auf, die im Ansaugtrakt in Luftströmungsrichtung nacheinander angeordnet sind: einen Luftverdichter zur Verdichtung der Umgebungsluft und einen Luftkühler zur Abkühlung der mittels des Luftverdichters verdichteten Luft. Dabei sind die Turbine und der Luftverdichter bevorzugt über eine Welle miteinander zur Übertragung von Bewegungsenergie gekoppelt. Diese Kombination aus Luftverdichter, Wärmetauscher und Turbine im Abgasstrang stellt einen Abgasturbolader dar, mit dem auf bekannte Weise die Leistungsfähigkeit aufgeladener Brennkraftmaschinen erhöht werden kann. Somit kann die Restenergiegewinnung aus dem Abgas auf zweifache Weise erfolgen: einerseits über den Abgasturbolader, der die Bewegungsenergie des Abgasstroms nutzt, und andererseits über den thermodynamischen Kreisprozess. Der Kreisprozess erhöht dabei zum einen mittels des vor dem Abgasverdichter entstehenden Unterdrucks die Abgasströmungsgeschwindigkeit an der Turbine und steigert somit den Wirkungsgrad des Abgasturboladers. Zum anderen liefert er einen aus der Wärmeenergie des Abgases gewonnenen Arbeitsüberschuss ab, der durch die elektrische Maschine abgegriffen und in Form elektrischer Energie zur Verfügung gestellt wird.According to a further preferred embodiment, the internal combustion engine system further comprises the following elements which are successively arranged in the air intake in the intake tract: an air compressor for compressing the ambient air and an air cooler for cooling the air compressed by means of the air compressor. The turbine and the air compressor are preferably coupled to one another via a shaft for transmitting kinetic energy. This combination of air compressor, heat exchanger and turbine in the exhaust system is an exhaust gas turbocharger with which the performance of supercharged internal combustion engines can be increased in a known manner. Thus, the recovery of residual energy from the exhaust can be done in two ways: on the one hand via the exhaust gas turbocharger, which uses the kinetic energy of the exhaust stream, and on the other hand the thermodynamic cycle. The cyclic process increases on the one hand by means of the resulting before the exhaust gas compressor negative pressure, the exhaust gas flow velocity to the turbine and thus increases the efficiency of the exhaust gas turbocharger. On the other hand, it delivers a surplus of labor gained from the heat energy of the exhaust gas, which is tapped by the electric machine and made available in the form of electrical energy.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform sind die Turbine, der Luftverdichter und der Abgasverdichter über eine gemeinsame Welle miteinander zur Übertragung von Bewegungsenergie gekoppelt. Auf diese Weise lässt sich eine einfache und weitgehend verlustfreie Übertragung von Bewegungsenergie zwischen der dabei antreibenden Turbine einerseits und den beiden dabei angetriebenen Verdichtern andererseits bewerkstelligen.According to a preferred development of this embodiment, the turbine, the air compressor and the exhaust gas compressor are coupled to each other via a common shaft for transmitting kinetic energy. In this way, a simple and largely lossless transmission of kinetic energy between the thereby driving turbine on the one hand and the two driven compressors on the other hand accomplish.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist die elektrische Maschine zur Übertragung von Bewegungsenergie zusätzlich mit dem Luftverdichter gekoppelt, um, wenn sie unter Zuführung elektrischer Energie als Elektromotor betrieben wird, den Luftverdichter zumindest phasenweise anzutreiben. Auf diese Weise kann mittels der elektrischen Maschine auch das Ansprechverhalten des Abgasturboladers, zu dem der Luftverdichter gehört, verbessert werden. Insbesondere kann so das bei Turboladermotoren bekannte „Turboloch” reduziert oder gar überbrückt werden. Die zum Betrieb der elektrischen Maschine erforderliche elektrische Energie kann insbesondere über einen elektrischen Energiespeicher, bevorzugt eine Fahrzeugbatterie, temporär zur Verfügung gestellt werden. So ist es möglich, mit einer einzigen elektrische Maschine sowohl die im Kreisprozess auftretende überschüssige Arbeit abzugreifen und in Form elektrischer Energie zur Verfügung zu stellen, als auch das Ansprechverhalten des Abgasturboladers in entsprechenden Betriebsphasen zu verbessern, die insbesondere bei geringer Belastung der Brennkraftmaschine und somit einem nur schwachen Abgasstrom an der Turbine auftreten können. Gemäß einer alternativen oder zusätzlichen Variante dieser Weiterbildung kann zum phasenweisen Antrieb des Luftverdichters stattdessen oder zusätzlich eine zweite, separate elektrische Maschine vorgesehen sein.According to a further preferred development of this embodiment, the electric machine for transmitting kinetic energy is additionally coupled to the air compressor in order to drive the air compressor, at least in phases, when it is operated while supplying electrical energy as an electric motor. In this way, the response of the exhaust gas turbocharger, to which the air compressor belongs, can also be improved by means of the electric machine. In particular, the turbo lag known in turbocharger engines can thus be reduced or even bypassed. The electrical energy required for operating the electrical machine can be made available temporarily, in particular via an electrical energy store, preferably a vehicle battery. Thus, it is possible to tap with a single electric machine both occurring in the cycle excess work and provide in the form of electrical energy available, as well as to improve the response of the exhaust gas turbocharger in appropriate operating phases, especially at low load on the engine and thus a only weak exhaust gas flow can occur at the turbine. According to an alternative or additional variant of this development may be provided instead of or in addition a second, separate electric machine for phased driving the air compressor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Abgasverdichter elektrisch antreibbar und über ein elektrisches Netz so mit der elektrischen Maschine verbunden, dass der Abgasverdichter zu seinem Antrieb mit von der elektrischen Maschine bei ihrem Betrieb generierter elektrischer Energie versorgbar ist. Bei dieser Ausführungsform kann somit eine mechanische Kopplung, insbesondere eine gemeinsame Welle, zwischen der Turbine und dem Abgasverdichter entfallen. Stattdessen wird an der elektrischen Maschine elektrische Energie bereitgestellt und dem elektrisch betreibbaren Abgasverdichter zu dessen Antrieb zur Verfügung gestellt. Gemäß bevorzugter Weiterbildungen dieser Ausführungsform kann das elektrische Netz dabei insbesondere eines oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen: eine elektrische Leitung, einen Energiespeicher für elektrische Energie, einen Wandler für elektrische Spannung, Strom oder Leistung. Im einfachsten Fall genügt somit eine leitende Verbindung, wie etwa ein Kabel zwischen der elektrischen Maschine und dem Abgasverdichter. Zur zeitlichen Entkopplung der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs sowie zur gleichmäßigen Bereitstellung von elektrischer Energie zum Antrieb des Abgasverdichters sind Energiespeicher bzw. Energiepuffer vorteilhaft, welche insbesondere durch eine Fahrzeugbatterie implementiert sein können. Daneben kann es vorteilhaft sein, Wandler, insbesondere Spannungs- oder Leistungswandler, in dem Netz vorzusehen, um die an der elektrische Maschine erzeugte elektrische Spannung bzw. Leistung auf eine zum Antrieb des Abgasverdichter angepasste Spannung bzw. Leistung zu wandeln.According to a further preferred embodiment, the exhaust gas compressor is electrically driven and connected via an electrical network with the electric machine, that the exhaust gas compressor can be supplied to its drive with the electric machine generated by the electrical machine during its operation electrical energy. In this embodiment, therefore, a mechanical coupling, in particular a common shaft, between the turbine and the exhaust gas compressor omitted. Instead, electrical energy is provided to the electric machine and provided to the electrically operable exhaust gas compressor for driving it. According to preferred developments of this embodiment, the electrical network may in particular comprise one or more of the following elements: an electrical line, an energy store for electrical energy, a converter for electrical voltage, current or power. In the simplest case, therefore, a conductive connection, such as a cable between the electric machine and the exhaust gas compressor, is sufficient. For temporal decoupling of power generation and energy consumption and for uniform provision of electrical energy to drive the exhaust gas compressor energy storage or energy buffers are advantageous, which can be implemented in particular by a vehicle battery. In addition, it may be advantageous to provide transducers, in particular voltage or power converters, in the network in order to convert the electrical voltage or power generated at the electrical machine to a voltage or power adapted to drive the exhaust gas compressor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Abgaskühler als Luftkühler, insbesondere bei einem Fahrzeug als Unterbodenkühler, ausgeführt. Auf diese Weise kann die Kühlung über die Umgebungsluft, insbesondere über den während der Fahrt auftretenden Fahrtwind auf einfache und effiziente Weise erreicht werden.According to a further preferred embodiment, the exhaust gas cooler is designed as an air cooler, in particular in a vehicle as underbody cooler. In this way, the cooling can be achieved in a simple and efficient manner via the ambient air, in particular via the wind that occurs during the drive.

Gemäß einer weiteren bevorzugen Ausführungsform weist das Brennkraftmaschinensystem des Weiteren eine Abgasreinigungseinheit, auf, die im Abgasstrang zwischen der Brennkraftmaschine und der Turbine angeordnet ist. Da in diesem Bereich der höchste Druck im Kreislauf auftritt, kann dies den Vorteil haben, dass die nötige Querschnittsfläche der Abgasreinigungseinheit bei im Wesentlichen gleicher Abgasreinigungswirkung kleiner gehalten werden kann, als dies bei ihrer Anordnung in einem anderen Teilbereich des Abgasstrangs der Fall wäre. Alternativ dazu kann die Abgasreinigungseinheit stattdessen im Abgasstrang bevorzugt zwischen der Turbine und dem Abgaskühler angeordnet sein. Die Abgaseinheit besteht beim Ottomotor bevorzugt aus einem Katalysator und beim Dieselmotor aus mehreren Katalysatoren und einem zusätzlichen Partikelfilter.According to another preferred embodiment, the internal combustion engine system further comprises an exhaust gas purification unit, which is arranged in the exhaust line between the internal combustion engine and the turbine. Since the highest pressure in the circuit occurs in this area, this can have the advantage that the necessary cross-sectional area of the exhaust gas purification unit can be kept smaller with essentially the same exhaust gas cleaning effect than would be the case with its arrangement in another subarea of the exhaust gas line. Alternatively, the exhaust gas purification unit may instead be arranged in the exhaust gas line preferably between the turbine and the exhaust gas cooler. In the case of the gasoline engine, the exhaust gas unit preferably consists of a catalytic converter and, in the case of the diesel engine, of a plurality of catalytic converters and an additional particulate filter.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einem Brennkraftmaschinensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.A second aspect of the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, with an internal combustion engine system according to the first aspect of the invention.

Dementsprechend gilt hier wiederum vollumfänglich das bereits zum ersten Aspekt der Erfindung Gesagte, so dass auf eine Wiederholung verzichtet wird. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, weil dort anders als bei fest installierten Brennkraftmaschinensystemen, wie etwa bei Heizkraftwerken, sowohl Kosten als auch Aufwand, insbesondere das Fahrzeuggewicht erhöhender Aufwand, möglichst gering zu halten sind, und bislang bei den meisten Fahrzeugen die Potenziale zur Nutzung von Restenergie im Abgas nicht oder nur unvollkommen ausgenutzt wurden. Accordingly, the same applies in full again to what has already been said for the first aspect of the invention, so that a repetition is dispensed with. The invention can be used particularly advantageously for internal combustion engines of motor vehicles, because unlike permanently installed internal combustion engine systems, such as in combined heat and power plants, both cost and effort, in particular the vehicle weight-increasing effort, are kept as low as possible, and so far in most Vehicles potential for the use of residual energy in the exhaust gas were not or only partially used.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.Further advantages, features and possible applications of the present invention will become apparent from the following detailed description taken in conjunction with the figures.

Dabei zeigtIt shows

1 schematisch eine einfache Grundform des Brennkraftmaschinensystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; 1 schematically a simple basic form of the internal combustion engine system according to a first preferred embodiment of the invention;

2 schematisch eine weiteres Brennkraftmaschinensystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem über eine Welle mit dem Abgasverdichter verbundenen Abgasturbolader; 2 schematically another internal combustion engine system according to a second preferred embodiment of the invention with a connected via a shaft with the exhaust gas compressor exhaust gas turbocharger;

3 schematisch eine weiteres Brennkraftmaschinensystem gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem elektrisch mit dem Abgasverdichter verbundenen Abgasturbolader; und 3 schematically another internal combustion engine system according to a second preferred embodiment of the invention with an electrically connected to the exhaust gas compressor exhaust gas turbocharger; and

4 ein p-v Arbeitsdiagramm zur Erläuterung eines beim Betrieb des Brennkraftmaschinensystems ablaufenden Joule-Kreisprozesses, gemäß bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung. 4 a pv working diagram for explaining a running during operation of the internal combustion engine system Joule cycle process, according to preferred embodiments of the invention.

In den folgenden Figuren werden durchgängig dieselben Bezugszeichen für gleiche bzw. einander entsprechende Elemente des Brennkraftmaschinensystems verwendet.In the following figures, the same reference numerals are used for the same or corresponding elements of the internal combustion engine system throughout.

In 1 ist ein Brennkraftmaschinensystem 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Das Brennkraftmaschinensystem 1 weist eine Brennkraftmaschine 2 in Form einer Kolbenmaschine mit vier Zylindern, einem Ansaugtrakt 3 sowie einem Abgasstrang 4 auf. Entsprechend den vier Kolben der Brennkraftmaschine 2 sind sowohl der Ansaugtrakt 3 als auch der Abgasstrang 4 so verzweigt, dass jeder einzelne der Zylinder sowohl mit dem Ansaugtrakt 3 als auch dem Abgasstrang 4 verbunden ist. Beim Betrieb der Brennkraftmaschine 2 wird dieser mittels des Ansaugtrakts 3 Umgebungsluft zugeführt, die über den in der Brennkraftmaschine 2 stattfindenden Verbrennungsprozess erhitzt wird. Die dabei entstehenden heißen Abgase werden in den Abgasstrang 4 ausgeleitet. In dem Abgasstrang 4 ist eine Abgasreinigungseinheit 5 vorgesehen. Beim Ottomotor weist sie bevorzugt einen Dreiwege-Katalysator, beim Dieselmotor bevorzugt einen Oxidationskatalysator, einen NOx-Speicherkatalysator oder einen SCR-Katalysator sowie jeweils einen Partikelfilter auf,. Ebenfalls im Abgasstrang ist eine als Gasturbine ausgeführte Turbine 6 angeordnet, die durch den Abgasstrom antreibbar ist. Bevorzugt ist die Abgasreinigungseinheit 5 zwischen der Brennkraftmaschine 2 und der Turbine 6 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen kann die Abgasreinigungseinheit 5 aber auch unmittelbar nach der Turbine 6 folgen. In Abgasstromrichtung der Turbine 6 nachfolgend sind nacheinander ein Abgaskühler 7 sowie ein Abgasverdichter 8 im Abgasstrang 4 angeordnet. Über eine gemeinsame Welle 10 ist die Turbine 6 sowohl mit dem Abgasverdichter 8 als auch mit einer elektrischen Maschine 9 zu Übertragung von Bewegungsenergie, speziell Rotationsenergie, verbunden. Eine Ausgangsleitung des Abgasverdichters 8 ist mit der Umgebung des Brennkraftmaschinensystems 11, insbesondere mit der Erdatmosphäre, verbunden. Auf diese Weise ist der Kreislauf von Luft bzw. daraus beim Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine 2 entstehenden Abgas durch das Brennkraftmaschinensystem 1 geschlossen.In 1 is an internal combustion engine system 1 according to a first preferred embodiment of the invention shown schematically. The internal combustion engine system 1 has an internal combustion engine 2 in the form of a piston engine with four cylinders, an intake 3 and an exhaust system 4 on. Corresponding to the four pistons of the internal combustion engine 2 are both the intake tract 3 as well as the exhaust system 4 so branched that every single one of the cylinders with both the intake tract 3 as well as the exhaust system 4 connected is. During operation of the internal combustion engine 2 this is done by means of the intake 3 Ambient air supplied, which exceeds that in the internal combustion engine 2 is heated combustion process takes place. The resulting hot exhaust gases are in the exhaust system 4 discharged. In the exhaust system 4 is an emission control unit 5 intended. In the gasoline engine, it preferably has a three-way catalyst, the diesel engine preferably an oxidation catalyst, a NOx storage catalyst or an SCR catalyst and a particulate filter ,. Also in the exhaust system is a running as a gas turbine turbine 6 arranged, which is driven by the exhaust gas stream. The exhaust gas purification unit is preferred 5 between the internal combustion engine 2 and the turbine 6 arranged. In alternative embodiments, the exhaust gas purification unit 5 but also immediately after the turbine 6 consequences. In the exhaust gas flow direction of the turbine 6 Below are sequentially an exhaust gas cooler 7 as well as an exhaust gas compressor 8th in the exhaust system 4 arranged. About a common wave 10 is the turbine 6 both with the exhaust gas compressor 8th as well as with an electric machine 9 to transmission of kinetic energy, especially rotational energy, connected. An output line of the exhaust gas compressor 8th is with the environment of the internal combustion engine system 11 , in particular with the earth's atmosphere, connected. In this way, the circulation of air or thereof in the combustion process in the internal combustion engine 2 resulting exhaust gas through the internal combustion engine system 1 closed.

Beim Betrieb des Brennkraftmaschinensystems 1 wird ein thermodynamischer Kreisprozess durchlaufen. Dabei wird zunächst Luft bei Umgebungstemperatur und Umgebungsdruck p_A (Zustand A) aus der Umgebung 11 über den Ansaugtrakt 3 der Brennkraftmaschine 2 zugeführt. Dort kommt es zum Verbrennungsvorgang und zum anschließenden Ausstoß von dabei entstandenem, gegenüber der Umgebungstemperatur erhitzten Abgas (Zustand B, erhitztes Abgas ist über Schraffuren dargestellt) in den Abgasstrang 4. Nach dem Durchlaufen der Abgasreinigungseinheit 5 wird das erhitzte Abgas über die Turbine 6 entspannt, d. h. auf ein niedrigeres Druckniveau p_C gebracht. Danach wird das Abgas über den Abgaskühler 7, welche insbesondere als Luftkühler ausgebildet sein kann, wieder auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt, die bevorzugt im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht (Zustand D). Das abgekühlte Abgas wird sodann über den Abgasverdichter 8 wieder auf Umgebungsdruck p_A verdichtet (Zustand A) und an die Umgebung 11 abgegeben, wodurch sich der Kreisprozess schließt und wieder von vorne beginnt. Die bei der Entspannung des Abgasstroms über der Turbine 6 geleistete Arbeit wird in Form von Bewegungsenergie über die gemeinsame Welle 10 sowohl an die elektrische Maschine 9 als auch an den Abgasverdichter 8 übertragen. Somit wird zum einen der Abgasverdichter über die an der Turbine 6 auftretende Arbeit angetrieben, und zum anderen kann ein verbleibender Arbeitsüberschuss an der elektrischen Maschine 9, welche als Generator wirkt, in elektrische Energie umgewandelt werden.During operation of the internal combustion engine system 1 will undergo a thermodynamic cycle. In this case, initially air at ambient temperature and ambient pressure p _A (state A) from the environment 11 over the intake tract 3 the internal combustion engine 2 fed. There it comes to the combustion process and the subsequent emission of thereby incurred, compared to the ambient temperature heated exhaust gas (state B, heated exhaust gas is shown by hatching) in the exhaust system 4 , After passing through the emission control unit 5 is the heated exhaust gas through the turbine 6 relaxed, ie brought to a lower pressure level p _C. Thereafter, the exhaust gas through the exhaust gas cooler 7 , which may be formed in particular as an air cooler, cooled again to a lower temperature, which preferably corresponds substantially to the ambient temperature (state D). The cooled exhaust gas is then via the exhaust gas compressor 8th compressed back to ambient pressure p _A (state A) and to the environment 11 which closes the cycle and starts all over again. The at the relaxation of the exhaust gas flow over the turbine 6 Work done is in the form of kinetic energy over the common wave 10 both to the electric machine 9 as well as to the exhaust gas compressor 8th transfer. Thus, on the one hand, the exhaust gas compressor on the on the turbine 6 occurring work driven, and on the other hand may be a residual surplus of work on the electric machine 9 , which acts as a generator to be converted into electrical energy.

In 2 ist ein Brennkraftmaschinensystem 1 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform schematisch dargestellt. Mit Ausnahme des Ansaugtrakts 3 ist dieses Brennkraftmaschinensystem 1 identisch mit dem aus 1. Im Unterschied zu dem dort gezeigten System weist das Brennkraftmaschinensystem aus 2 jedoch im Ansaugtrakt 3 einen Luftverdichter 12 sowie einen Luftkühler 13 auf. Der Luftverdichter 12 dient dazu, die aus der Umgebung 11 entnommene Umgebungsluft zunächst auf einen höheren Druck zum Laden der Brennkraftmaschine zu verdichten und der Luftkühler 13 dient dazu, die so verdichtete Ladeluft abzukühlen, bevor sie der Brennkraftmaschine 2 für den Verbrennungsprozess zugeführt wird. Des Weiteren ist die gemeinsame Welle 10 zusätzlich zum Luftverdichter 12 geführt, um diesen mittels der an der Turbine 6 geleisteten Arbeit anzutreiben. Stattdessen sind auch getrennte Wellen oder andere Mittel zur Energieübertragung zwischen der Turbine 6 und den in 2 über die Welle 10 verbundenen anderen Komponenten 8, 9 und 12 des Brennkraftmaschinensystems 1 denkbar. Optional können an der bzw. den Wellen eine oder mehrere Übersetzungsvorrichtungen 14, etwa Getriebe, vorgesehen sein, um eine Drehzahl- und Drehmomentanpassung zwischen den mittels der Welle bzw. Wellen gekoppelten Komponenten des Brennkraftmaschinensystems zu erreichen. Insgesamt ergibt sich somit eine Struktur, bei der im Abgasstrom vorhandene Bewegungsenergie des Abgases über die Turbine 6 teilweise aufgenommen und in Bewegungsenergie übersetzt wird, mit welcher der Luftverdichter 12 der Brennkraftmaschine 2 angetrieben wird, um diese zu laden. Eine solche Struktur wird gemeinhin als „Abgasturbolader” bezeichnet. Insgesamt stellt das in 2 gezeigte Brennkraftmaschinensystem 1 somit ein System dar, in dem zum einen die im Abgas enthaltene Bewegungsenergie und zum anderen auch darin vorhandene Restwärme aus dem Verbrennungsvorgang in der Brennkraftmaschine 2 zu Energierückgewinnung genutzt werden. Betrachtet man den dabei ablaufenden thermodynamischen Kreisprozess, so erkennt man, dass die Verdichtung hier zweistufig mittels des Abgasverdichters 8 hin zu einem ersten Zwischenzustand E1 und nachfolgend dem Luftverdichter 12 hin zu einem zweiten Zwischenzustand E2 erfolgt. Der Luftkühler 13 dient dazu, die beim Verdichten mittels des Luftverdichters 12 gegebenenfalls erwärmte Luft wieder abzukühlen, und sie somit in den Ausgangszustand A des thermodynamischen Kreisprozesses zu bringen. Somit ist hier auch der Abkühlvorgang im Kreisprozess auf zwei oder mehrere Teilprozesse aufgeteilt, nämlich auf die Abkühlung durch den Abgaskühler 7, gegebenenfalls eine weitere Abkühlung über die Umgebung 11, sowie über eine Abkühlung bzw. Temperaturanpassung über den Luftkühler 13. Wieder kann überschüssige an der Turbine 6 auftretende Arbeit über die elektrische Maschine 9 in Form von elektrischer Energie abgegriffen und zur Verfügung gestellt werden.In 2 is an internal combustion engine system 1 shown schematically according to another preferred embodiment. With the exception of the intake system 3 is this engine system 1 identical to the 1 , In contrast to the system shown there, the internal combustion engine system 2 but in the intake tract 3 an air compressor 12 as well as an air cooler 13 on. The air compressor 12 serves to those from the environment 11 taken ambient air to first compress to a higher pressure to charge the engine and the air cooler 13 serves to cool the charge air compressed in this way before it reaches the internal combustion engine 2 is supplied for the combustion process. Furthermore, the common wave 10 in addition to the air compressor 12 led to this by means of the turbine 6 to drive the work done. Instead, there are also separate shafts or other means of transmitting energy between the turbine 6 and the in 2 over the wave 10 connected other components 8th . 9 and 12 of the internal combustion engine system 1 conceivable. Optionally, one or more translation devices may be provided on the shaft (s) 14 , Transmission, be provided to achieve a speed and torque adjustment between the coupled by means of the shaft or shaft components of the engine system. Overall, this results in a structure in which the kinetic energy of the exhaust gas present in the exhaust gas flow via the turbine 6 partially absorbed and translated into kinetic energy, with which the air compressor 12 the internal combustion engine 2 is driven to load these. Such a structure is commonly referred to as an "exhaust gas turbocharger". Overall, that puts in 2 shown internal combustion engine system 1 Thus, a system in which on the one hand, the kinetic energy contained in the exhaust gas and on the other hand also existing residual heat from the combustion process in the internal combustion engine 2 used for energy recovery. Looking at the running therethrough thermodynamic cycle, it can be seen that the compression here two stages by means of the exhaust gas compressor 8th towards a first intermediate state E1 and subsequently the air compressor 12 towards a second intermediate state E2. The air cooler 13 serves to compress the air compressor 12 possibly heated air to cool again, and thus bring them into the initial state A of the thermodynamic cycle. Thus, here is the cooling process in the cycle divided into two or more sub-processes, namely the cooling by the exhaust gas cooler 7 , if necessary, a further cooling over the environment 11 , as well as a cooling or temperature adjustment via the air cooler 13 , Again, excess at the turbine 6 occurring work on the electric machine 9 in the form of electrical energy tapped and made available.

Des Weiteren kann die elektrische Maschine 9 auch in einem Antriebsmodus betrieben werden, indem sie nicht als Generator, sondern als Elektromotor wirkt, und dabei insbesondere den Luftverdichter 12 antreibt. Dies kann insbesondere in Betriebssituationen vorteilhaft sein, in denen der Abgasstrom fehlt oder gering ist und somit die Turbine 6 nicht oder nur schwach angetrieben wird. Ein typischer Fall dafür ist das so genannte „Turboloch”, in dem der durch die Brennkraftmaschine erzeugte Abgasstrom noch nicht ausreicht, um über die Turbine 6 den Luftverdichter 12 ausreichend stark anzutreiben, um für eine ausreichende Zufuhr von Ladeluft zur Brennkraftmaschine 2 zu sorgen, so dass diese ohne den Antrieb aber die elektrische Maschine 9 nicht ihre volle bzw. angeforderte Leistung erbringen könnte.Furthermore, the electric machine 9 be operated in a drive mode by acting not as a generator, but as an electric motor, and in particular the air compressor 12 drives. This can be advantageous in particular in operating situations in which the exhaust gas flow is absent or low and thus the turbine 6 not or only weakly driven. A typical case for this is the so-called "turbo lag", in which the exhaust gas flow generated by the internal combustion engine is not sufficient to pass over the turbine 6 the air compressor 12 To drive sufficiently strong, for a sufficient supply of charge air to the internal combustion engine 2 to ensure that this without the drive but the electric machine 9 could not provide their full or requested service.

Die in 3 gezeigte weitere bevorzugte Ausführungsform stellt eine Abwandlung des Brennkraftmaschinensystem 1 aus 2 dar. Der Unterschied besteht allein darin, dass anstelle einer durchgängigen Welle 10, mit welcher unter anderem die Turbine 6 mit dem Abgasverdichter 8 verbunden ist, die Welle 10 diesmal nur die Turbine 6 mit der elektrischen Maschine 9 sowie mit dem Luftverdichter 12 zur Übertragung von Bewegungsenergie koppelt. Der Abgasverdichter 8 ist als elektrischer Abgasverdichter ausgeführt, d. h. er wird elektrisch mittels eines Elektromotors angetrieben. Die zum Antrieb des Elektromotors erforderliche elektrische Energie wird dabei über ein Netz 15, das insbesondere auch eine einfache elektrische Leitung, insbesondere ein Kabel, sein kann, von der über die Turbine 6 angetriebenen elektrischen Maschine 9 bereitgestellt.In the 3 shown further preferred embodiment provides a modification of the internal combustion engine system 1 out 2 The only difference is that instead of a continuous wave 10 , with which among other things the turbine 6 with the exhaust gas compressor 8th connected, the wave 10 this time only the turbine 6 with the electric machine 9 as well as with the air compressor 12 coupled to transmit kinetic energy. The exhaust gas compressor 8th is designed as an electric exhaust gas compressor, ie it is driven electrically by means of an electric motor. The electrical energy required to drive the electric motor is transmitted via a network 15 , which may in particular also be a simple electrical line, in particular a cable, from which via the turbine 6 powered electric machine 9 provided.

Das Brennkraftmaschinensystem 1 kann insbesondere so konfiguriert sein, dass der bei seinem Betrieb ablaufende thermodynamische Kreisprozess einem sogenannten Joule-Kreisprozess entspricht. Dies soll nachfolgend anhand von 4 und beispielhaft der Ausführungsform gemäß 1 erläutert werden. In 4 ist ein so genanntes p-v Diagramm gezeigt, wie es für die Beschreibung von thermodynamischen Kreisprozessen üblich ist. Dabei steht „p” für den Druck und „v” für das spezifische Volumen (Kehrwert der Massendichte) des Arbeitsmediums (Luft bzw. Abgas). Der Kreisprozess wird hier ausgehend vom Zustand B beschrieben, bei dem im Abgastrakt 4 das Abgas der Brennkraftmaschine 2 der Abgasturbine 6 zugeführt wird. Der vorgelagerte nicht dargestellte thermodynamische Prozess in der Brennkraftmaschine 2 entspricht dabei dem bekannten Otto- oder Diesel-Kreisprozess einer Verbrennungskraftmaschine (Schritt S1), der für den nachgelagerten Joule-Kreisprozess als Wärmezufuhr dient. Das Entspannen des erhitzten Abgases Zustand B über der Turbine 6 (Schritt S2) entspricht im Wesentlichen einer isentropen Entspannung, d. h. einer Druckminderung bei Zunahme der spezifischen Volumens v, aber ohne Entropieänderung. Dabei geht das Abgas in den Zustand C beim Druck (Unterdruck) p_C über. Als nächster Prozessabschritt folgt die Abkühlung am Abgaskühler 7, welche einer im Wesentlichen isobaren Wärmeabfuhr entspricht, bei der bei gleichbleibenden Druck p_C und Abnahme des spezifischen Volumens v der Zustand D erreicht wird (Schritt S3). Schließlich erfolgt die Verdichtung des abgekühlten Abgases in Form einer im Wesentlichen isentropen Kompression am Abgasverdichter 8 unter weiterer Verringerung des spezifischen Volumens v und einer Druckerhöhung von dem Druckniveau p_C auf das Ausgangsdruckniveau p_A (Schritt S4). Somit ist der Kreisprozess geschlossen, und die von der Kure im p-v Diagramm eingeschlossene Fläche entspricht der beim Durchlaufen des Kreisprozesses freiwerdenden Nutzarbeit W_n, die über die elektrische Maschine 9 teilweise, wirkungsgradabhängig bevorzugt größtenteils, abgegriffen und in Form elektrischer Energie bereitgestellt werden kann.The internal combustion engine system 1 In particular, it can be configured such that the thermodynamic cycle occurring during its operation corresponds to a so-called Joule cycle. This will be explained below with reference to 4 and exemplary of the embodiment according to 1 be explained. In 4 a so-called pv diagram is shown, as is usual for the description of thermodynamic cycle processes. Here "p" stands for the pressure and "v" for the specific volume (reciprocal of the mass density) of the working medium (air or exhaust gas). The cycle is described here starting from state B, in the exhaust tract 4 the exhaust gas of the internal combustion engine 2 the exhaust gas turbine 6 is supplied. The upstream not shown thermodynamic process in the internal combustion engine 2 corresponds to the known gasoline or diesel cycle one Internal combustion engine (step S1), which serves as a heat supply for the downstream Joule cycle. Relaxing the heated exhaust state B over the turbine 6 (Step S2) corresponds essentially to isentropic relaxation, ie a reduction in pressure with an increase in the specific volume v, but without an entropy change. The exhaust gas goes into the state C at the pressure (negative pressure) p _C over. The next step in the process is the cooling down of the exhaust gas cooler 7 which corresponds to a substantially isobaric heat removal, in which the state D is reached at a constant pressure p _C and a decrease in the specific volume v (step S3). Finally, the compression of the cooled exhaust gas takes place in the form of a substantially isentropic compression on the exhaust gas compressor 8th with further reduction of the specific volume v and an increase in pressure from the pressure level p _C to the output pressure level p _A (step S4). Thus, the cycle is closed, and the area enclosed by the cure in the pv diagram corresponds to the useful work W _n released by passing through the cycle, which is transmitted via the electric machine 9 partially, depending on efficiency preferably largely tapped and can be provided in the form of electrical energy.

Während vorausgehend wenigstens eine beispielhafte Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu bemerken, dass eine große Anzahl von Variationen dazu existiert. Es ist dabei auch zu beachten, dass die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen nur nichtlimitierende Beispiele darstellen, und es nicht beabsichtigt ist, dadurch den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren zu beschränken. Vielmehr wird die vorausgehende Beschreibung dem Fachmann eine Anleitung zu Implementierung mindestens einer beispielhaften Ausführungsform liefern, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen in der Funktionsweise und der Anordnung der in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne dass dabei von dem in den angehängten Ansprüchen jeweils festgelegten Gegenstand sowie seinen rechtlichen Äquivalenten abgewichen wird.While at least one exemplary embodiment has been described above, it should be understood that a large number of variations exist. It should also be understood that the described exemplary embodiments are nonlimiting examples only and are not intended to thereby limit the scope, applicability, or configuration of the devices and methods described herein. Rather, the foregoing description will provide those skilled in the art with guidance for implementing at least one example embodiment, it being understood that various changes in the operation and arrangement of the elements described in an exemplary embodiment may be made without departing from the scope of the appended claims deviated from, and its legal equivalents.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: BrennkraftmaschinensystemEngine system
22: BrennkraftmaschineInternal combustion engine
33: Ansaugtraktintake system
44: Abgasstrangexhaust gas line
55: Abgasreinigungseinheitexhaust gas cleaning unit
66: Turbineturbine
77: Abgaskühlerexhaust gas cooler
88th: Abgasverdichterexhaust gas compressors
99: elektrische Maschineelectric machine
1010: Wellewave
1111: Umgebung des BrennkraftmaschinensystemsEnvironment of the internal combustion engine system
1212: Luftverdichterair compressor
1313: Luftkühlerair cooler
1414: Übersetzungsvorrichtung, insbesondere GetriebeTranslation device, in particular transmission
1515: Netznetwork
A–DA-D: Zustände im KreisprozessConditions in the cycle
E1, E2E1, E2: Zwischenzustände im KreisprozessIntermediate states in the cycle
pp: Druckprint
p_A p _A: Ausgangsdruck (Zustand A)Outlet pressure (condition A)
p_C p _C: Unterdruck (Zustand C)Negative pressure (state C)
vv: spezifisches Volumenspecific volume
W_n W _n: Nutzarbeituseful work

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2010/000285 A1 [0005]

Claims

Internal combustion engine system ( 1 ), in particular for motor vehicles, comprising: an internal combustion engine ( 2 ) with an intake tract ( 3 ) for receiving and supplying ambient air to the internal combustion engine ( 2 ) and with an exhaust gas line ( 4 ) for discharging an exhaust gas flow from the internal combustion engine ( 2 ); in the exhaust gas line ( 4 ) are arranged one after the other in the exhaust gas flow direction: a turbine ( 6 ) configured to be driven by the exhaust flow, thereby expanding it under work from a first pressure level (p _A ) greater than or equal to the ambient pressure to a second pressure level (p _C ) below the ambient pressure; An exhaust gas cooler ( 7 ) configured to cool the expanded exhaust gas stream; and - an exhaust gas compressor ( 8th ) configured by means of the exhaust gas cooler ( 7 ) condensed exhaust gas stream to ambient pressure and at least partially the environment ( 11 ); and one with the turbine ( 6 ) coupled to transmit kinetic energy electrical machine ( 9 ) for the conversion of kinetic energy into electrical energy.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to claim 1, wherein the internal combustion engine system ( 1 ) is configured, during its operation, to carry out a thermodynamic cycle with air or air-containing exhaust gas as the working medium, the cycle having the following process sections running sequentially in said order: (S1) heat supply by means of exhaust gas from the internal combustion engine ( 2 ); (S2) isentropic expansion at the turbine ( 6 ); (S3) isobaric heat removal at the exhaust gas cooler ( 7 ); (S4) isentropic compression at the exhaust gas compressor ( 8th ).

Internal combustion engine system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the turbine ( 6 ) and the exhaust gas compressor ( 8th ) are coupled together to transmit kinetic energy.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to claim 3, wherein the turbine ( 6 ) and the exhaust gas compressor ( 8th ) about a common wave ( 10 ) are coupled together for transmitting kinetic energy at which one or more translation devices are provided to provide a corresponding speed or torque adjustment for the transmission of kinetic energy.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, further comprising and in the intake tract ( 3 ) arranged in the air flow direction one after the other: an air compressor ( 12 ) for the compression of the ambient air; and an air cooler for cooling by means of the air compressor ( 12 ) compressed air; the turbine ( 6 ) and the air compressor ( 12 ) are coupled together via a shaft for transmitting kinetic energy.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to claim 5, wherein the turbine ( 6 ), the air compressor ( 12 ) and the exhaust gas compressor ( 8th ) about a common wave ( 10 ) are coupled together to transmit kinetic energy.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to claim 5 or 6, wherein the electric machine ( 9 ) for the transmission of kinetic energy in addition to the air compressor ( 12 ) is operated, when it is operated under the supply of electrical energy as an electric motor, the air compressor ( 12 ) at least in phases.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the exhaust gas compressor ( 8th ) electrically driven and via an electrical network ( 15 ) so with the electric machine ( 9 ), that the exhaust gas compressor ( 8th ) to its drive from the electric machine ( 9 ) can be supplied during their operation generated electrical energy.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to claim 8, wherein the electrical network ( 15 ) comprises one or more of: an electrical lead; an energy store for electrical energy; a converter for electrical voltage, current or power.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the exhaust gas cooler ( 7 ) is designed as an air cooler, in particular as underbody radiator for a vehicle.

Internal combustion engine system ( 1 ) according to one of the preceding claims, further comprising an exhaust gas purification unit ( 5 ) in the exhaust system ( 4 ) between the internal combustion engine ( 2 ) and the turbine ( 6 ) is arranged.

Vehicle, in particular motor vehicle, with an internal combustion engine system ( 1 ) according to any one of the preceding claims.