DE102017004204A1

DE102017004204A1 - Internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle

Info

Publication number: DE102017004204A1
Application number: DE102017004204.7A
Authority: DE
Inventors: René Ernst
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2017-04-29
Filing date: 2017-04-29
Publication date: 2018-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (42) für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Abgasturbolader (20), welcher wenigstens eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) antreibbare Turbine (20), einen von der Turbine (20) antreibbaren ersten Verdichter (22) zum Verdichten von wenigstens einem Brennraum (14) der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführender Luft und eine elektrische Maschine zum Antreiben des ersten Verdichters (22) aufweist, und mit einem elektrisch betreibbaren zweiten Verdichter (30), mittels welchem dem wenigstens einen Brennraum (14) zuzuführende Luft parallel zu dem ersten Verdichter (22) zu verdichten ist, wobei der Turbine (20) eine Umgehungseinrichtung (46) mit wenigstens einer Umgehungsleitung (48) zugeordnet ist, welche von die Turbine (20) umgehendem Abgas durchströmbar ist.The invention relates to an internal combustion engine (42) for a motor vehicle, comprising at least one exhaust gas turbocharger (20) which has at least one turbine (20) which can be driven by exhaust gas of the internal combustion engine (10), a first compressor (22) which can be driven by the turbine (20) Compressing at least one combustion chamber (14) of the internal combustion engine (10) to be supplied air and an electric machine for driving the first compressor (22), and with an electrically operable second compressor (30), by means of which the at least one combustion chamber (14) to be supplied Air is to be compressed parallel to the first compressor (22), wherein the turbine (20) is associated with a bypass device (46) with at least one bypass line (48), which by the turbine (20) flow through the exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle such as a passenger car, according to the preamble of patent claim 1.

Eine solche Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen, ist beispielsweise bereits der US 6 637 205 B1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst wenigstens einen Abgasturbolader, welcher wenigstens eine von Abgas der Verbrennungskraftmaschine antreibbare Turbine, einen von der Turbine antreibbaren ersten Verdichter zum Verdichten von wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft und eine elektrische Maschine zum Antreiben des ersten Verdichters aufweist. Somit kann der erste Verdichter sowohl von der Turbine als auch von der elektrischen Maschine und somit elektrisch angetrieben werden.Such an internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle such as a passenger car, for example, is already the US 6 637 205 B1 to be known as known. The internal combustion engine comprises at least one exhaust-gas turbocharger which has at least one turbine which can be driven by exhaust gas of the internal combustion engine, a first compressor drivable by the turbine for compressing at least one combustion chamber of the internal combustion engine to be supplied with the internal combustion engine and an electric machine for driving the first compressor. Thus, the first compressor can be driven both by the turbine and by the electric machine and thus electrically.

Außerdem ist ein elektrisch betreibbarer zweiter Verdichter vorgesehen, mittels welchem dem wenigstens einen Brennraum zuzuführende Luft parallel zu dem ersten Verdichter zu verdichten ist. Dies bedeutet, dass die Verdichter parallel zueinander angeordnet beziehungsweise geschaltet sind, sodass die Verdichter parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichten können, die dem wenigstens einen Brennraum zuzuführen ist beziehungsweise zugeführt wird.In addition, an electrically operable second compressor is provided, by means of which the air to be supplied to at least one combustion chamber is to be compressed parallel to the first compressor. This means that the compressors are arranged or connected parallel to one another, so that the compressors can compress air in parallel or simultaneously, which is to be supplied to the at least one combustion chamber or is supplied.

Außerdem offenbart die EP 3 103 991 A1 ein Steuerungsgerät für eine Verbrennungskraftmaschine, welche einen Abgasturbolader und einen elektrisch betreibbaren Verdichter aufweist.In addition, the disclosed EP 3 103 991 A1 a control apparatus for an internal combustion engine having an exhaust gas turbocharger and an electrically operable compressor.

Aus der DE 102 47 225 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, welcher einen elektrisch antreibbaren Abgasturbolader aufweist.From the DE 102 47 225 A1 is known an internal combustion engine, which has an electrically driven exhaust gas turbocharger.

Schließlich offenbart die DE 10 2014 208 092 A1 ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine mit einem mittels einer Regeleinrichtung regelbaren Abgasturbolader und einem elektrisch betreibbaren Verdichter.Finally, the reveals DE 10 2014 208 092 A1 a method for operating a motor vehicle with an internal combustion engine with an adjustable by means of a control device exhaust gas turbocharger and an electrically operable compressor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine auf besonders effiziente Weise realisiert werden kann.Object of the present invention is to develop an internal combustion engine of the type mentioned in such a way that a particularly high performance of the internal combustion engine can be implemented in a particularly efficient manner.

Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by an internal combustion engine having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Um eine Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders hohe Leistung, insbesondere Nennleistung, der Verbrennungskraftmaschine auf besonders effiziente Weise realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Turbine eine Umgehungseinrichtung mit wenigstens einer Umgehungsleitung zugeordnet ist, welche von die Turbine umgehendem Abgas durchströmbar ist. Mit anderen Worten kann zumindest ein Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine die Umgehungsleitung durchströmen, wobei der die Umgehungsleitung durchströmende Teil des Abgases beziehungsweise das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas die Turbine umgeht. Dies bedeutet, dass das die Umgehungsleitung durchströmende Abgas die Turbine nicht durchströmt und somit nicht antreibt, wobei diese Umgehung der Turbine auch als Bypass oder Bypassierung bezeichnet wird. Durch diese Bypassierung kann ein in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine herrschende Abgasgegendruck besonders gering gehalten werden, sodass der Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine besonders gering gehalten werden kann. Darüber hinaus kann ein maximal elektrifiziertes Aufladesystem umfassend den Abgasturbolader und den zweiten Verdichter geschaffen werden, sodass besonders hohe Leistungen der Verbrennungskraftmaschine realisierbar sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen lässt sich eine signifikante Steigerung der Nennleistung bei gleichzeitig deutlich verbessertem Ansprechverhalten darstellen. Ferner kann eine Möglichkeit geschaffen werden, Energie, insbesondere aus dem Abgas, rückzugewinnen. Außerdem können eine betriebspunktadaptierte Variabilität und Regelbarkeit des Aufladesystems dargestellt werden.In order to develop an internal combustion engine specified in the preamble of claim 1 type such that a particularly high performance, in particular rated power, the internal combustion engine can be implemented in a particularly efficient manner, it is inventively provided that the turbine is associated with a bypass device with at least one bypass line, which can be flowed through by the turbine exhaust gas. In other words, at least part of the exhaust gas of the internal combustion engine can flow through the bypass line, wherein the part of the exhaust gas flowing through the bypass line or the exhaust gas flowing through the bypass line bypasses the turbine. This means that the exhaust gas flowing through the bypass line does not flow through the turbine and thus does not drive, whereby this bypass of the turbine is also referred to as bypass or bypassing. By this bypassing prevailing in an exhaust tract of the internal combustion engine exhaust back pressure can be kept particularly low, so that the fuel consumption of the internal combustion engine can be kept very low. In addition, a maximum electrified charging system comprising the exhaust gas turbocharger and the second compressor can be created, so that particularly high performances of the internal combustion engine can be realized. Compared to conventional internal combustion engines can be a significant increase in the rated power with significantly improved response. Furthermore, a possibility can be created to recover energy, in particular from the exhaust gas. In addition, an operating point-adapted variability and controllability of the charging system can be represented.

Der Erfindung liegt insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Die Entwicklung von modernen Motoren, insbesondere Dieselmotoren, befindet sich aktuell in einem komplexen Spannungsfeld. Einerseits werden sehr leistungsfähige, das heißt hochperformante Antriebe gewünscht, andererseits sorgen Reglementierungen insbesondere hinsichtlich des Abgases dafür, dass klassische Formen der Leistungssteigung wie eine Erhöhung des Hubraums ausgedient haben. Heutige, beispielsweise als 2,0-Liter-Vier-Zylinderaggregate ausgebildete Verbrennungskraftmaschinen sollen sich in Leistungsklassen bewegen, welche bis vor einigen Jahren Sechs- oder Acht-Zylindermotoren weitaus größeren Hubraums vorbehalten waren. Der Schlüssel zur Realisierung dieser Anforderungen liegt in der Aufladung. Aber auch diesbezüglich existiert ein Zielkonflikt. Einerseits ist ein möglichst großer Abgasturbolader zur Erreichung hoher Leistungen wünschenswert, andererseits weist ein solcher großer Abgasturbolader eine systemimmanente hohe Massenträgheit auf, was zu einem nur schlechten Ansprechverhalten führt. Die elektrisch unterstützte Aufladung bietet hier in ihren diversen Formen Mittel und Wege, beides zu kombinieren. Beispielsweise durch eine vorhandene Bordnetzstruktur beim Einsatz eines elektrifizierten Aufladeaggregats beziehungsweise Aufladesystems ist - insbesondere im Hinblick auf Hochleistungsanwendungen - auch der Einsatz mehrerer elektrifizierter Auflademethoden denkbar. Die Erfindung beschreibt eine Kombination von elektrischem Turbolader in Form des Abgasturboladers und elektrischem Nennleistungskompressor in Form des elektrisch betreibbaren zweiten Verdichters, wobei diese Kombination in zumindest nahezu allen Betriebsphasen Vorteile generieren kann.The invention is based in particular on the following finding: The development of modern engines, in particular diesel engines, is currently in a complex area of conflict. On the one hand, very high-performance, that is high-performance drives are desired, on the other hand, regulations, especially with regard to the exhaust gas, ensure that classic forms of performance increase, such as an increase in engine capacity, have become obsolete. Today's, for example, designed as a 2.0-liter four-cylinder engines internal combustion engines should move in power classes, which were reserved until a few years ago six- or eight-cylinder engines much larger displacement. The key to realizing these requirements is charging. But there is also a conflict of objectives in this regard. On the one hand, the largest possible exhaust gas turbocharger for achieving high performance is desirable, on the other hand, such a large exhaust gas turbocharger on a system inherent high inertia, resulting in only poor response. Electrically assisted charging offers a variety of ways and means to combine both. For example, by an existing on-board network structure when using an electrified supercharger or charging system - especially with regard to high performance applications - the use of multiple electrified charging methods is conceivable. The invention describes a combination of electric turbocharger in the form of the exhaust gas turbocharger and electric nominal power compressor in the form of electrically operable second compressor, said combination can generate advantages in at least almost all phases of operation.

Durch die Möglichkeit, den ersten Verdichter mittels der elektrischen Maschine sowie den zweiten Verdichter elektrisch zu betreiben beziehungsweise anzutreiben, kann die dem wenigstens einen, beispielsweise als Zylinder, ausgebildeten Brennraum zuzuführende Luft effektiv und effizient verdichtet werden. Darüber hinaus können die Verdichter besonders bedarfsgerecht betrieben werden, insbesondere mit hohen Drehzahlen, sodass ein besonders vorteilhaftes Ansprechverhalten realisiert werden kann.By the possibility of electrically operating or driving the first compressor by means of the electric machine and the second compressor, the air to be supplied to the at least one combustion chamber, for example a cylinder, can be effectively and efficiently compressed. In addition, the compressors can be operated particularly needs-based, especially at high speeds, so that a particularly advantageous response can be realized.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or alone in the single figure can be used not only in the respectively indicated combination but also in other combinations or alone, without the frame to leave the invention.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine.The drawing shows in the single FIGURE is a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention.

Die einzige Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen wie beispielsweise einen Personenkraftwagen. Dabei ist das Kraftfahrzeug mittels der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar. Hierzu umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 ein beispielsweise als Zylinderkurbelgehäuse ausgebildetes Zylindergehäuse 12, durch welches mehrere Brennräume in Form von Zylindern 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet sind. Insbesondere während eines befeuerten Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 10 werden die Zylinder 14 mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, zum Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 10 und Luft versorgt, sodass beispielsweise in dem jeweiligen Zylinder 14 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch aufgenommen ist. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird verbrannt, woraus Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 resultiert.The single FIGURE shows a schematic representation of a designated as a whole with 10 internal combustion engine for a motor vehicle, in particular for a motor vehicle such as a passenger car. In this case, the motor vehicle by means of the internal combustion engine 10 drivable. This includes the internal combustion engine 10 an example designed as a cylinder crankcase cylinder housing 12 through which several combustion chambers in the form of cylinders 14 the internal combustion engine 10 are formed. In particular, during a fired operation of the internal combustion engine 10 become the cylinders 14 with fuel, in particular liquid fuel, for operating the internal combustion engine 10 and air supplied, so for example in the respective cylinder 14 a fuel-air mixture is added. The fuel-air mixture is burned, resulting in exhaust gas of the internal combustion engine 10 results.

Dabei weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von dem Abgas durchströmbaren Abgastrakt 16 auf, mittels welchem das Abgas von den Zylindern 14 abgeführt wird. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst dabei wenigstens einen Abgasturbolader 18, welcher wenigstens eine in dem Abgastrakt 16 angeordnete und von dem Abgas antreibbare Turbine 20 aufweist. Der Abgasturbolader 18 weist ferner einen Verdichter 22 auf, welcher in einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt 24 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet ist. Mittels des Ansaugtrakts 24 wird die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft zu den und insbesondere in die Zylinder 14 geleitet. Dabei veranschaulichen in der Fig. Pfeile 26 die den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft.In this case, the internal combustion engine 10 an exhaust gas tract through which the exhaust gas can flow 16 on, by means of which the exhaust gas from the cylinders 14 is dissipated. The internal combustion engine 10 includes at least one exhaust gas turbocharger 18 , which at least one in the exhaust tract 16 arranged and driven by the exhaust turbine 20 having. The turbocharger 18 also has a compressor 22 on, which in an air-permeable intake tract 24 the internal combustion engine 10 is arranged. By means of the intake tract 24 becomes the intake tract 24 flowing air to the and in particular into the cylinder 14 directed. This illustrate in the Fig. Arrows 26 the intake tract 24 air flowing through.

Der Abgasturbolader 18 umfasst beispielsweise eine Welle 28, mit welcher ein Turbinenrad der Turbine 20 und ein Verdichterrad des Verdichters 22 drehfest verbunden sind. Dabei ist das Turbinenrad von dem Abgas antreibbar, sodass das Verdichterrad zum Verdichten der Luft über die Welle 28 von dem Turbinenrad angetrieben werden kann.The turbocharger 18 includes, for example, a wave 28 with which a turbine wheel of the turbine 20 and a compressor wheel of the compressor 22 are rotatably connected. In this case, the turbine wheel is driven by the exhaust gas, so that the compressor wheel for compressing the air over the shaft 28 can be driven by the turbine wheel.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst ferner einen zweiten Verdichter 30, mittels welchem den Ansaugtrakt 24 durchströmende Luft verdichtet werden kann. Dabei sind die Verdichter 22 und 30 parallel zueinander geschaltet beziehungsweise angeordnet. Mit anderen Worten können die Verdichter 22 und 30 parallel beziehungsweise gleichzeitig betrieben werden, sodass mittels der Verdichter 22 und 30 parallel beziehungsweise gleichzeitig Luft verdichtet und zu den Zylindern 14 gefördert werden kann. Die verdichtete Luft wird auch als Ladeluft bezeichnet, wobei das Versorgen der Zylinder 14 mit der verdichteten Luft auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet wird.The internal combustion engine 10 further comprises a second compressor 30 , by means of which the intake tract 24 flowing air can be compressed. Here are the compressors 22 and 30 switched or arranged parallel to each other. In other words, the compressors can 22 and 30 be operated parallel or simultaneously, so that by means of the compressor 22 and 30 parallel or simultaneously compressed air and to the cylinders 14 can be promoted. The compressed air is also referred to as charge air, wherein supplying the cylinder 14 with the compressed air is also referred to as charging or charging.

Aus der Fig. ist erkennbar, dass der erste Verdichter 22 in einem ersten Leitungselement 32 angeordnet ist, welches von der mittels des Verdichters 22 verdichteten Luft durchströmbar ist. Ferner umfasst der Ansaugtrakt 24 das erste Leitungselement 32 und ein zweites Leitungselement 34, welches von der mittels des zweiten Verdichters 30 verdichteten Luft durchströmbar ist. Die Leitungselemente 32 und 34 sind an einer Verbindungsstelle V fluidisch miteinander verbunden beziehungsweise zusammengeführt und münden an der Verbindungsstelle V in ein drittes Leitungselement 36 des Ansaugtrakts 24. Somit können sowohl die mittels des Verdichters 22 verdichtete Luft als auch die mittels des Verdichters 30 verdichtete Luft durch das Leitungselement 36 strömen und mittels dieses zu den Zylindern 14 geführt werden.From the Fig. It can be seen that the first compressor 22 in a first conduit element 32 is arranged, which of the means of the compressor 22 compressed air can be flowed through. Furthermore, the intake tract comprises 24 the first conduit element 32 and a second conduit element 34 , which by the means of the second compressor 30 compressed air can be flowed through. The pipe elements 32 and 34 are at a junction V fluidly connected to each other or merged and open at the junction V in a third conduit element 36 the intake tract 24 , Thus, both the means of the compressor 22 compressed air as well as the means of the compressor 30 compressed air through the conduit element 36 flow and by means of this to the cylinders 14 be guided.

Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Um dennoch einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist in dem Ansaugtrakt 24 stromab der Verdichter 22 und 30 ein den Verdichtern 22 und 30 gemeinsamer Ladeluftkühler 38 angeordnet, mittels welchem die verdichtete und dadurch erwärmte Luft gekühlt wird.By compressing the air, it is heated. Nevertheless, to realize a particularly high degree of supercharging, is in the intake 24 downstream of the compressor 22 and 30 one to the compressors 22 and 30 common intercooler 38 arranged, by means of which the compressed and thus heated air is cooled.

Aus der Fig. ist darüber hinaus erkennbar, dass der Abgasturbolader 18 eine in der Fig. besonders schematisch dargestellte elektrische Maschine 40 aufweist. Die elektrische Maschine 40 ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar, mittels welchem die Welle 28 und darüber zumindest das Verdichterrad des Verdichters 22 antreibbar sind. Insbesondere können sowohl das Verdichterrad des Verdichters 22 als auch das Turbinenrad der Turbine 20 über die Welle 28 von der elektrischen Maschine 40 angetrieben werden. Dadurch können beispielsweise auch dann hohe Drehzahlen des Verdichterrads des Verdichters 22 realisiert werden, wenn das den Abgastrakt 16 und somit die Turbine 20 durchströmende Abgas einen nur geringen Volumen- beziehungsweise Massenstrom aufweist.From the Fig. It is also apparent that the exhaust gas turbocharger 18 an electrical machine shown particularly schematically in the figure 40 having. The electric machine 40 is for example in a motor operation and thus operable as an electric motor, by means of which the shaft 28 and above at least the compressor wheel of the compressor 22 are drivable. In particular, both the compressor wheel of the compressor 22 as well as the turbine wheel of the turbine 20 over the wave 28 from the electric machine 40 are driven. As a result, for example, high speeds of the compressor wheel of the compressor 22 be realized if that the exhaust tract 16 and thus the turbine 20 flowing exhaust gas has only a small volume or mass flow.

Darüber hinaus ist der zweite Verdichter 30 als elektrisch betreibbarer beziehungsweise betriebener oder angetriebener Verdichter ausgebildet, welcher vorzugsweise ausschließlich elektrisch betreibbar ist. Hierzu umfasst der zweite Verdichter 30 beispielsweise ein in der Fig. nicht erkennbares zweites Verdichterrad, welches drehfest mit einer zweiten Welle 42 des zweiten Verdichters 30 verbunden ist. Außerdem umfasst der zweite Verdichter 30 beispielsweise einen Elektromotor 44, mittels welchem die Welle 42 und über diese das zweite Verdichterrad antreibbar sind.In addition, the second compressor 30 designed as electrically operable or driven or driven compressor, which is preferably only electrically operable. For this purpose, the second compressor comprises 30 For example, a not visible in the figure second compressor wheel, which rotatably with a second shaft 42 of the second compressor 30 connected is. In addition, the second compressor includes 30 for example, an electric motor 44 by means of which the shaft 42 and via this the second compressor wheel can be driven.

Um nun eine besonders hohe Leistung, insbesondere Nennleistung, der Verbrennungskraftmaschine 10 auf besonders effiziente Weise zu realisieren, ist der Turbine 20 eine Umgehungseinrichtung 46 mit wenigstens einer Umgehungsleitung 48 zugeordnet, welche von die Turbine 20 umgehendem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Umgehungsleitung 48 an jeweiligen Verbindungsstellen V1 und V2 fluidisch mit dem Abgastrakt 16 verbunden ist, wobei die Verbindungsstelle V1 stromauf des Turbinenrads der Turbine 20 und die Verbindungsstelle V2 stromab des Turbinenrads der Turbine 20 angeordnet ist. Dadurch kann zumindest ein Teil des den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgases mittels der Umgehungsleitung 48 an der Verbindungsstelle V1 aus dem Abgastrakt 16 abgezweigt werden. Das abgezweigte Abgas strömt durch die Umgehungsleitung 48 und wird mittels der Umgehungsleitung 48 an der Turbine 20 beziehungsweise an dem Turbinenrad der Turbine 20 vorbeigeführt, sodass das die Umgehungsleitung 48 durchströmende Abgas die Turbine 20 umgeht, das heißt bypassiert. Dies bedeutet, dass das die Umgehungsleitung 48 durchströmende Abgas nicht durch die Turbine 20 strömt und somit nicht die Turbine 20 antreibt. Das die Umgehungsleitung 48 durchströmende Abgas kann an der Verbindungsstelle V2 aus der Umgehungsleitung 48 aus- und in den Abgastrakt 16 einströmen. Dabei umfasst die Umgehungseinrichtung 46 ein beispielsweise in der Umgehungsleitung 48 angeordnetes Ventilelement 50, mittels welchem eine Menge des die Umgehungsleitung 48 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Die Umgehungsleitung 48 wird beispielsweise auch als Bypass oder Waste Gate bezeichnet, sodass das Ventilelement 50 beispielsweise als Bypass-Ventil oder Waste-Gate-Ventil bezeichnet wird.To now a particularly high performance, in particular rated power, the internal combustion engine 10 to realize in a particularly efficient way, is the turbine 20 a bypass device 46 with at least one bypass line 48 associated with which of the turbine 20 immediate exhaust gas of the internal combustion engine 10 can be flowed through. From the Fig. It can be seen that the bypass line 48 at respective connection points V1 and V2 fluidly with the exhaust tract 16 is connected, the junction V1 upstream of the turbine wheel of the turbine 20 and the connection point V2 downstream of the turbine wheel of the turbine 20 is arranged. As a result, at least part of the exhaust tract 16 flowing exhaust gas by means of the bypass line 48 at the junction V1 from the exhaust tract 16 be diverted. The branched exhaust gas flows through the bypass line 48 and is by means of the bypass line 48 at the turbine 20 or on the turbine wheel of the turbine 20 passed, so that the bypass 48 exhaust gas flowing through the turbine 20 bypasses, that is bypassed. This means that the bypass line 48 exhaust gas flowing through the turbine 20 flows and thus not the turbine 20 drives. The bypass line 48 flowing exhaust gas can at the junction V2 from the bypass 48 off and into the exhaust tract 16 flow. In this case, the bypass device comprises 46 an example in the bypass line 48 arranged valve element 50 by means of which a quantity of the bypass line 48 flowing exhaust gas is adjustable. The bypass line 48 is also referred to as a bypass or waste gate, for example, so that the valve element 50 For example, as a bypass valve or waste gate valve is called.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine beispielsweise als Kurbelwelle ausgebildete Abtriebswelle auf, über welche die Verbrennungskraftmaschine 10 Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann. Dabei ist ein Generator 52 vorgesehen, welcher von der genannten Abtriebswelle mechanisch antreibbar ist und infolge seines mechanischen Antreibens elektrische Energie bereitstellt. Beispielsweise über eine erste Leitung 54 kann die von dem Generator 52 bereitgestellte elektrische Energie zu einem beispielsweise als Batterie ausgebildeten Energiespeicher 56 geführt und in dem Energiespeicher 56 gespeichert werden. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 40 mit der in dem Energiespeicher 56 gespeicherten elektrischen Energie versorgt werden, wodurch die elektrische Maschine 40 in dem Motorbetrieb betrieben werden kann.The internal combustion engine 10 has an output shaft designed, for example, as a crankshaft, via which the internal combustion engine 10 Can provide torques for driving the motor vehicle. There is a generator 52 provided, which is mechanically driven by said output shaft and provides electrical energy due to its mechanical driving. For example via a first line 54 can be from the generator 52 Provided electrical energy to an example designed as a battery energy storage 56 guided and in the energy storage 56 get saved. For example, the electric machine 40 with the in the energy storage 56 stored electrical energy, causing the electric machine 40 can be operated in the engine operation.

Ferner ist es vorgesehen, dass der zweite Verdichter 30, insbesondere der Elektromotor 44, mit der von dem Generator 52 bereitgestellten elektrischen Energie direkt versorgbar ist. So ist beispielsweise ein Leitungselement 58 vorgesehen, über welches der Verdichter 30, insbesondere der Elektromotor 44, direkt mit der von dem Generator 52 bereitgestellten elektrischen Energie versorgt werden kann. Unter dieser direkten Versorgung des Verdichters 30 mit der von dem Generator 52 bereitgestellten elektrischen Energie ist insbesondere zu verstehen, dass die von dem Generator 52 bereitgestellte elektrische Energie direkt und nicht etwa unter Vermittlung einer Batterie dem Verdichter 30, insbesondere dem Elektromotor 44, zugeführt wird. Vorzugsweise weist der Generator 52 eine elektrische Spannung von 48 Volt auf, sodass das Leitungselement 58 als 48-Volt-Verbindung ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Energiespeicher 56 als 48-Volt-Batterie ausgebildet ist und somit eine elektrische Spannung von 48 Volt aufweist beziehungsweise bereitstellt.Furthermore, it is provided that the second compressor 30 , in particular the electric motor 44 with the generator 52 provided electrical energy is directly supplied. For example, a conduit element 58 provided, over which the compressor 30 , in particular the electric motor 44 , directly with the generator 52 provided electrical energy can be supplied. Under this direct supply of the compressor 30 with the generator 52 electrical energy provided is to be understood in particular that of the generator 52 provided electrical energy directly and not through the intermediary of a battery the compressor 30 , in particular the electric motor 44 , is supplied. Preferably, the generator has 52 an electrical voltage of 48 volts, so that the line element 58 as a 48-volt Connection is formed. Alternatively or additionally, it is preferably provided that the energy storage 56 is designed as a 48-volt battery and thus has or provides an electrical voltage of 48 volts.

Bei dem in der Fig. veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 30, welcher als Nennleistungskompressor, insbesondere als elektrischer Nennleistungskompressor (eNK), zum Einsatz kommt, einstufig ausgebildet, sodass der Verdichter 30 genau eine Verdichterstufe aufweist. Alternativ dazu ist es denkbar, dass der Verdichter 30 mehrstufig, das heißt zumindest zweistufig, ausgebildet ist. Bei der mehrstufigen Ausgestaltung des Verdichters 30 weist dieser mehrere Verdichterstufen, das heißt wenigstens zwei Verdichterstufen, auf, mittels welchen die Luft, insbesondere seriell, verdichtet werden kann. Beispielsweise sind die mehreren Verdichterstufen des Verdichters 30 in Reihe beziehungsweise seriell zueinander angeordnet beziehungsweise geschaltet.In the embodiment illustrated in the figure, the compressor is 30 , which is used as a nominal power compressor, in particular as a nominal electrical compressor (eNK), used in one stage, so that the compressor 30 has exactly one compressor stage. Alternatively, it is conceivable that the compressor 30 multi-level, that is, at least two stages, is formed. In the multi-stage design of the compressor 30 this has a plurality of compressor stages, that is to say at least two compressor stages, by means of which the air, in particular in series, can be compressed. For example, the multiple compressor stages of the compressor 30 arranged in series or serially to each other or switched.

Durch die Verwendung des elektrischen Abgasturboladers 18 und des elektrisch betreibbaren Verdichters 30 kann ein maximal elektrifiziertes Aufladesystem dargestellt werden. In einem Transientbetrieb ist beispielsweise der als elektrischer Nennleistungskompressor ausgebildete Verdichter 30 ausgeschaltet. Ferner ist der Generator 52 beispielsweise von der Abtriebswelle abgekoppelt, sodass der Generator 52 nicht von der Abtriebswelle angetrieben wird. Hierbei wird der elektrische Abgasturbolader 18, insbesondere die elektrische Maschine 40, mittels des Energiespeichers 56 gespeist, sodass beispielsweise die elektrische Maschine 40 in ihrem Motorbetrieb betrieben wird. Hierdurch kann im Vergleich zu einem konventionellen Abgasturbolader, dessen Verdichter ausschließlich mittels Abgas antreibbar ist, ein extrem schnelles Ansprechverhalten realisiert werden.By using the electric exhaust gas turbocharger 18 and the electrically operable compressor 30 a maximum electrified charging system can be displayed. In a transient mode, for example, the compressor designed as a nominal electric power compressor 30 switched off. Further, the generator 52 For example, disconnected from the output shaft, so that the generator 52 not driven by the output shaft. This is the electric exhaust gas turbocharger 18 , in particular the electric machine 40 , by means of the energy storage 56 so that, for example, the electric machine 40 is operated in their engine operation. In this way, compared to a conventional exhaust gas turbocharger whose compressor is driven exclusively by means of exhaust gas, an extremely fast response can be realized.

Kommt es nun zu einer Hochlast beziehungsweise zu einem Hochlastbetrieb, so wird der Generator 52 ein- beziehungsweise angekoppelt. In der Folge wird der Generator 52 von der Abtriebswelle mechanisch angetrieben. Hierbei ist der Abgasturbolader 18 beziehungsweise dessen elektrische Maschine 40 unbestromt, sodass der Abgasturbolader 18 ein konventionelles Verhalten, das heißt ein Verhalten wie ein konventioneller Abgasturbolader, aufweist. So dient beispielsweise eine durch die elektrische Maschine 40 bewirkbare elektrische Unterstützung nur der Überwindung von instationären Trägheitsmomenten. Ferner erfolgt eine Leistungsabgabe von dem Generator 52 direkt an den elektrischen Nennleistungskompressor (Verdichter 30). Hierdurch kann durch ein mögliches Luft-Überangebot ein hohes Leistungspotential dargestellt werden. Mit anderen Worten kann eine besonders hohe Luftmasse in die Zylinder 14 eingebracht werden, sodass auch eine entsprechende Kraftstoffmasse in die Zylinder 14 eingebracht wird. In der Folge kann eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine 10 realisiert werden.If there is now a high load or a high load operation, then the generator 52 connected or coupled. As a result, the generator becomes 52 mechanically driven by the output shaft. Here is the turbocharger 18 or its electric machine 40 de-energized, so the turbocharger 18 a conventional behavior, that is a behavior like a conventional exhaust gas turbocharger has. For example, one is used by the electric machine 40 achievable electrical support only to overcome transient moments of inertia. Furthermore, a power output from the generator 52 directly to the electric nominal power compressor (compressor 30 ). This can be represented by a possible air oversupply a high performance potential. In other words, a particularly high air mass in the cylinder 14 be introduced, so that a corresponding fuel mass in the cylinder 14 is introduced. As a result, a particularly high performance of the internal combustion engine 10 will be realized.

Bei, insbesondere absoluter, Volllast ist gegebenenfalls ein stromab der Zylinder 14 und stromauf der Turbine 20 herrschender Druck P₃ so hoch, dass dieser Druck den Ladungswechsel und somit die Leistung limitieren kann. Weiterhin sollte der Ladezustand der Batterie ausreichend sein. Dann kann gegebenenfalls das Ventilelement 50 geöffnet werden, sodass die Turbine 20 über die Umgehungsleitung 48 bypassiert wird. Dadurch kann der Druck P3 abgesenkt beziehungsweise gering gehalten werden, was den Ladungswechsel signifikant verbessert. Der Verdichter 22 wird in dieser Phase nicht von der Turbine 20, sondern von der elektrischen Maschine 40 in deren Motorbetrieb angetrieben. Gegebenenfalls wird der Verdichter 30 parallel hierzu betrieben. Hierbei ist es sinnvoll, die Turbine nicht komplett zu bypassieren, da die aufzubringende Wellenleistung zum Antreiben des Verdichters zu hoch wäre. Zielführender ist es, P3 nur so weit abzusenken, dass die Ladungswechselvorteile die aufzubringende (elektrische) Wellenleistung überkompensieren.At, in particular absolute, full load is optionally a downstream of the cylinder 14 and upstream of the turbine 20 prevailing pressure P ₃ so high that this pressure can limit the charge cycle and thus the power. Furthermore, the state of charge of the battery should be sufficient. Then optionally, the valve element 50 be opened so that the turbine 20 over the bypass 48 is bypassed. As a result, the pressure P3 can be lowered or kept low, which significantly improves the charge cycle. The compressor 22 is not at this stage of the turbine 20 but from the electric machine 40 driven in their engine operation. If necessary, the compressor 30 operated in parallel to this. In this case, it makes sense not to bypass the turbine completely because the shaft power to be applied would be too high to drive the compressor. The goal is to lower P3 only so far that the charge cycle advantages overcompensate for the applied (electric) shaft power.

Außerdem kann eine Rekuperationsfähigkeit realisiert werden. Eine gegebenenfalls zu hohe Beaufschlagung der Turbine 20 bei einem sehr hohen Abgasmassenstrom und geringem Ladedruckbedarf, beispielsweise bei Gas-Wegnehmen nach einer Beschleunigung, kann, alternativ oder zusätzlich zu der beschriebenen Reduzierung des Drucks P₃, beispielsweise durch eine zumindest im Wesentlichen kontinuierliche Rekuperation ausgeglichen beziehungsweise vermieden werden, sodass Abblaseverluste besonders gering gehalten werden. Dann wird ansonsten ungenutzte Abgasenergie zur Erzeugung von Energie genutzt, welche in dem Energiespeicher 56 gespeichert und für zukünftige Anwendungen wie beispielsweise Beschleunigungen der Welle 28 genutzt werden kann. Im Rahmen der Rekuperationsfähigkeit wird beispielsweise die elektrische Maschine 40 in ihrem Generatorbetrieb und somit als Generator betrieben, der über die Welle 28 und das Turbinenrad der Turbine 20 von dem den Abgastrakt 16 durchströmenden Abgas angetrieben wird. Hierdurch stellt die elektrische Maschine 40 elektrische Energie bereit, die in der Batterie beziehungsweise in dem Energiespeicher 56 gespeichert werden kann.In addition, a Rekuperationsfähigkeit can be realized. An optionally too high admission of the turbine 20 at a very high exhaust gas mass flow and low boost pressure requirement, for example, gas removal after acceleration, can be compensated or avoided, for example by an at least substantially continuous recuperation, alternatively or in addition to the described reduction of the pressure P ₃ , so that blow-off losses kept particularly low become. Then otherwise unused exhaust gas energy is used to generate energy, which in the energy storage 56 stored and for future applications such as shaft accelerations 28 can be used. As part of the Rekuperationsfähigkeit example, the electric machine 40 in their generator mode and thus operated as a generator, via the shaft 28 and the turbine wheel of the turbine 20 from the exhaust tract 16 flowing exhaust gas is driven. This puts the electric machine 40 electrical energy ready in the battery or in the energy storage 56 can be stored.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
1212: Zylindergehäusecylinder housing
1414: Zylindercylinder
1616: Abgastraktexhaust tract
18 18: Abgasturboladerturbocharger
2020: Turbineturbine
2222: Verdichtercompressor
2424: Ansaugtraktintake system
2626: Pfeilarrow
2828: Wellewave
3030: zweiter Verdichtersecond compressor
3232: Leitungselementline element
3434: Leitungselementline element
3636: Leitungselementline element
3838: LadeluftkühlerIntercooler
4040: elektrische Maschineelectric machine
4242: Wellewave
4444: Elektromotorelectric motor
4646: Umgehungseinrichtungbypass means
4848: Umgehungsleitungbypass line
5050: Ventilelementvalve element
5252: Generatorgenerator
5454: Leitungselementline element
5656: Energiespeicherenergy storage
5858: Leitungselementline element
VV: Verbindungsstellejunction
V1V1: Verbindungsstellejunction
V2V2: Verbindungsstellejunction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6637205 B1 [0002]
EP 3103991 A1 [0004]
DE 10247225 A1 [0005]
DE 102014208092 A1 [0006]

Claims

Internal combustion engine (42) for a motor vehicle, comprising at least one exhaust gas turbocharger (20), which at least one of exhaust gas of the internal combustion engine (10) driven turbine (20), one of the turbine (20) drivable first compressor (22) for compressing at least one Combustion chamber (14) of the internal combustion engine (10) to be supplied air and an electric machine for driving the first compressor (22), and with an electrically operable second compressor (30), by means of which the at least one combustion chamber (14) to be supplied in parallel to the air first compressor (22) is to be compressed, characterized in that the turbine (20) is associated with a bypass device (46) having at least one bypass line (48), which is flowed through by the turbine (20) immediate exhaust gas.

Internal combustion engine (10) after Claim 1 , characterized in that the bypass device (46) has a valve element (50), by means of which an amount of the bypass line (48) flowing through the exhaust gas is adjustable.

Internal combustion engine (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that the second compressor (30) is formed in multiple stages.

Internal combustion engine (10) after Claim 1 or 2 , characterized in that a parallel operation is provided for the second compressor (30).

Internal combustion engine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the second compressor (30) is exclusively electrically driven.

Internal combustion engine (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that one of an output shaft of the internal combustion engine (10) mechanically drivable generator (52) is provided, by means of which its mechanical driving electrical energy is provided, with which the second compressor (30 ) can be supplied directly.