DE102018106780A1 - Exhaust line of an internal combustion engine and method for controlling an exhaust gas turbocharger - Google Patents

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Abstract

Ein Abgasstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 20 umfasst einen Katalysator 60, der zwischen dem Abgasauslass 30 des Verbrennungsmotors 20 und einem Abgasturbolader 40 angeordnet ist. Der Abgasturbolader 40 umfasst einen elektrischen Antrieb 45 und eine Steuerung eingerichtet ist, über den elektrischen Antrieb 45 die Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers 40 zu erhöhen und zu reduzieren.An exhaust system for a motor vehicle with an internal combustion engine 20 includes a catalytic converter 60, which is arranged between the exhaust gas outlet 30 of the internal combustion engine 20 and an exhaust gas turbocharger 40. The exhaust gas turbocharger 40 comprises an electric drive 45 and a controller is set up to increase and reduce the rotational speed of the exhaust gas turbocharger 40 via the electric drive 45.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zur Steuerung eines Abgasturboladers.The present invention relates to an exhaust system of an internal combustion engine and to a method for controlling an exhaust gas turbocharger.

Es ist bekannt, im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor einen Katalysator in Abgasfließrichtung hinter den Auslass aus dem Motor und vor einem Abgasturbolader zu platzieren. Diese Anordnung hat einige Vorteile, wobei vor allem die höhere Temperatur, die unmittelbar nach dem Auslass des Motors herrscht, für eine verbesserte katalytische Reinigung des Abgases verwendet werden kann. Wenn der Katalysator hingegen hinter dem Abgasturbolader angeordnet ist, so ist das Abgas durch den Abgasturbolader bereits etwas abgekühlt, was bei der katalytischen Wirkung nachteilig ist.It is known to place a catalyst in the exhaust gas flow of a motor vehicle with internal combustion engine in the exhaust gas flow direction behind the outlet from the engine and in front of an exhaust gas turbocharger. This arrangement has several advantages, in particular the higher temperature which prevails immediately after the outlet of the engine can be used for an improved catalytic purification of the exhaust gas. On the other hand, if the catalytic converter is arranged behind the exhaust-gas turbocharger, the exhaust gas is already somewhat cooled by the exhaust-gas turbocharger, which is disadvantageous in the catalytic effect.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Motormanagement und das Fahrverhalten gerade bei Fahrzeugen zu verbessern, bei dem der Katalysator zwischen dem Motor und dem Abgasturbolader angeordnet ist.The object of the present invention is to improve the engine management and handling, especially in vehicles, in which the catalyst is arranged between the engine and the exhaust gas turbocharger.

Diese Aufgabe wird mithilfe der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Bei der Lösung der Aufgabe wurde zunächst erkannt, dass der Katalysator bei unterschiedlichen Fahrbedingungen als Wärmesenke oder Wärmequelle für den Abgasstrom agieren kann und so sich daraus Auswirkungen auf den Abgasturbolader ergeben können. Und als ein weiteres Ergebnis der vorliegenden Erfindung werden diese Auswirkungen minimiert.This object is achieved by means of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims. In the solution of the problem was first recognized that the catalyst can act under different driving conditions as a heat sink or heat source for the exhaust stream and thus may result in the exhaust gas turbocharger. And as another result of the present invention, these effects are minimized.

Ein Abgasstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor umfasst einen Katalysator, der zwischen dem Abgasauslass des Verbrennungsmotors und einem Abgasturbolader angeordnet ist. Der Abgasturbolader umfasst einen elektrischen Antrieb und eine Steuerung ist eingerichtet, über den elektrischen Antrieb die Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers zu erhöhen und zu reduzieren. Das Erhöhen der Drehzahl ist bereits bekannt und hat den Vorteil, bei der Anforderung eines höheren Ladedrucks diesen unmittelbar zu erhöhen. Hierdurch kann ein Turboloch, das nachfolgend noch näher erläutert wird, vermieden oder zumindest reduziert werden. Ebenfalls ist es möglich, den elektrischen Antrieb als eine Bremse zu verwenden, also die Drehzahl zu reduzieren, was dann vorteilhaft ist, wenn ein geringerer Ladedruck benötigt wird, als es sich eigentlich durch das Abgas(volumen) ergeben würde.An exhaust gas system for a motor vehicle with an internal combustion engine comprises a catalytic converter, which is arranged between the exhaust gas outlet of the internal combustion engine and an exhaust gas turbocharger. The exhaust gas turbocharger comprises an electric drive and a controller is set up to increase and reduce the rotational speed of the exhaust gas turbocharger via the electric drive. Increasing the speed is already known and has the advantage of increasing this directly when requesting a higher boost pressure. As a result, a turbo lag, which will be explained in more detail below, be avoided or at least reduced. It is also possible to use the electric drive as a brake, so reduce the speed, which is advantageous if a lower boost pressure is required than it would actually result from the exhaust gas (volume).

Vorteilhaft ist insbesondere, wenn ein mit einem Ventil versehenes Wastegate parallel zum Abgasturbolader angeordnet ist, um ventilzustandsabhängig ein Umgehen von Abgas des Abgasturboladers zu erlauben. Auch über ein Wastegate kann man die Ladeluft (und insbesondere deren Druck) reduzieren, so dass die Verwendung in Verbindung mit einem elektrischen Antrieb zum Reduzieren der Abgasturboladergeschwindigkeit auf den ersten Blick als redundant und unnötig erscheint. Aber die Öffnung des genannten Ventils ist in vielen Fällen unmittelbar gekoppelt mit dem Druck im Ladeluftbereich. Und ein elektrischer Antrieb, der als Generator oder Bremse geschaltet wird, kann schneller wirken. Der Abgasturbolader hat nämlich eine Massenträgheit. Bei einer Reduktion des Abgasdrucks in den Abgasturbolader hemmt die Massenträgheit die Reduktion der Rotation, was zu einer Verzögerung der Verlangsamung führt. Über einen aktiv bremsenden Einsatz des elektrischen Antriebs kann die Rotationsgeschwindigkeit des Abgasturboladers schneller reduziert werden. Bevorzugt kann die Reduktion der Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers durch ein gleichzeitiges Öffnen des Wastegates mit einem aktiven Bremsen des Abgasturboladers über den elektrischen Antrieb durchgeführt werden.It is advantageous, in particular, if a wastegate provided with a valve is arranged parallel to the exhaust-gas turbocharger in order to permit bypassing of exhaust-gas of the exhaust-gas turbocharger, depending on the valve state. The charge air (and in particular the pressure) can also be reduced via a wastegate, so that the use in conjunction with an electric drive to reduce the exhaust-gas turbocharger speed at first glance appears to be redundant and unnecessary. But the opening of said valve is in many cases directly coupled with the pressure in the charge air region. And an electric drive, which is switched as a generator or brake, can act faster. The exhaust gas turbocharger has namely a mass inertia. With a reduction of the exhaust gas pressure in the exhaust gas turbocharger, the inertia inhibits the reduction of the rotation, which leads to a deceleration of the deceleration. About an active braking application of the electric drive, the rotational speed of the exhaust gas turbocharger can be reduced faster. Preferably, the reduction of the rotational speed of the exhaust gas turbocharger can be carried out by simultaneously opening the wastegate with an active braking of the exhaust gas turbocharger via the electric drive.

Alternativ und/oder zusätzlich kann auch der Abgasturbolader als eine Variable Nozzle Turbine VNT eingerichtet sein, eine Veränderung einer Schaufelstellung vorzunehmen. Mit der Veränderung der Schaufelstellung, insbesondere abgasseitig am Stator, kann gezielt eine gewünschte Abgasmenge dem Abgasturbolader zugeführt werden. Auch hier hat die elektrische Bremse den Vorteil der unmittelbareren Wirkung.Alternatively and / or additionally, the exhaust-gas turbocharger can also be set up as a variable nozzle turbine VNT to make a change in a vane position. With the change in the blade position, in particular on the exhaust side of the stator, a desired amount of exhaust gas can be selectively supplied to the exhaust gas turbocharger. Again, the electric brake has the advantage of more immediate effect.

Vorteilhaft ist insbesondere, wenn der Abgasturbolader und/oder eine Motorsteuerung eingerichtet ist, für eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers Energie als elektrische Energie zu rekuperieren. Die Rekuperation bedeutet eine Wiedergewinnung, insbesondere als elektrische Energie. Es ist bekannt, dass es bei Elektromotoren (insbesondere bauartabhängig) möglich ist, sie ohne weitere technische Änderungen als einen Generator zu verwenden. Konstruktive Änderungen sind hier nicht nötig. Es muss lediglich die elektrische Schaltung derart angepasst werden, dass diese Energie auch sinnvoll verwendet werden kann. Dies kann dadurch geschehen, dass sie einem elektrischen Verbraucher zugeführt wird oder dass sie zur Ladung der Batterie verwendet wird. Hierdurch entstehen zwei vorteilhafte Effekte, dass nämlich die Antriebsgeschwindigkeit, wie bereits beschrieben, gesenkt wird und die Energie bereitgestellt wird.It is particularly advantageous if the exhaust gas turbocharger and / or a motor control is set up to recuperate energy as electrical energy for a reduction in the rotational speed of the exhaust gas turbocharger. The recuperation means a recovery, especially as electrical energy. It is known that in electric motors (in particular design-dependent) it is possible to use them as a generator without further technical changes. Constructive changes are not necessary here. It only needs to be adapted to the electrical circuit so that this energy can also be used meaningfully. This can be done by supplying it to an electrical load or by using it to charge the battery. This results in two advantageous effects, namely that the drive speed, as already described, is lowered and the energy is provided.

Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass der Abgasturbolader und insbesondere eine Motorsteuerung eingerichtet ist, für eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers entsprechende Energie zu dissipieren. Dies kann bspw. durch eine Umwandlung der Rotationsenergie des Abgasturboladers in Wärme geschehen. Dies kann bspw. technisch durch die Motorsteuerung über einen Widerstand geschehen, der parallel zu dem elektrischen Antrieb des Abgasturboladers geschaltet ist und ihn über den Widerstand kurzschließt.Alternatively, it is also possible that the exhaust gas turbocharger and in particular a motor control is set up to dissipate corresponding energy for a reduction in the rotational speed of the exhaust gas turbocharger. This can happen, for example, by converting the rotational energy of the exhaust gas turbocharger into heat. This can, for example, technically by the engine control via a Resistance happen, which is connected in parallel to the electric drive of the exhaust gas turbocharger and short-circuits it via the resistor.

Ferner ist vorteilhaft, wenn als ein Parameter für die Abbremsung des Abgasturboladers der Lastpunkt der Verbrennungskraftmaschine verwendet wird. So ist es ohne technischen Aufwand möglich, bspw. bei der Reduzierung des Lastpunkts nicht nur die Treibstoffzuführung, sondern auch (z.B. gleichzeitig) den Abgasturbolader zu bremsen. Hierdurch wird Energie rekuperiert, insbesondere in einer Konfiguration des Abgasstrangs mit einem Katalysator vor der Turbine. Zugleich kann das Ansprechverhalten des Motors beschleunigt werden. Auch über das Gaspedal und/oder das Bremspedal kann der Wunsch des Fahrers nach einer reduzierten Motorleistung erkannt werden und entsprechend der Ladeluftdruck reduziert werden.It is also advantageous if the load point of the internal combustion engine is used as a parameter for the deceleration of the exhaust gas turbocharger. Thus, it is possible without technical effort, for example, to reduce the load point not only the fuel supply, but also (for example, at the same time) to slow the exhaust gas turbocharger. As a result, energy is recuperated, in particular in a configuration of the exhaust system with a catalyst in front of the turbine. At the same time, the response of the engine can be accelerated. Also, via the accelerator pedal and / or the brake pedal, the driver's desire for a reduced engine performance can be detected and reduced according to the charge air pressure.

Entsprechend wird in einem Verfahren zur Steuerung eines Abgasturboladers, der einen elektrischen Antrieb zur Erhöhung der Abgasturboladergeschwindigkeit umfasst, verbrennungszustandsabhängig, insbesondere abhängig von einem Ladedrucküberschuss, der Abgasturbolader durch den elektrischen Antrieb abgebremst. Dabei kann das Motorabgas zu einem Katalysator und nachfolgend zu dem Abgasturbolader geleitet werden. Und als Parameter für die Abbremsung des Abgasturboladers wird der Zustand eines Gaspedals und/oder des Bremspedals verwendet.Accordingly, in a method for controlling an exhaust gas turbocharger, which comprises an electric drive for increasing the exhaust gas turbocharger speed, depending on the combustion state, in particular dependent on a boost pressure surplus, the exhaust gas turbocharger is decelerated by the electric drive. In this case, the engine exhaust gas can be passed to a catalyst and subsequently to the exhaust gas turbocharger. And the state of an accelerator pedal and / or the brake pedal is used as a parameter for the deceleration of the exhaust gas turbocharger.

Bevorzugt ist der Abgasturbolader als eine Variable Nozzle Turbine VNT ausgeführt und zur Reduktion der Ladeluft wird die Schaufelstellung der VNT in eine durchflussreduzierte Stellung gebracht, bei der weniger Abgas durch den Abgasturbolader fließt, und Abgas wird über eine Hochdruckabgasrückführung in den Ladeluftstrang geleitet. Dadurch wird die Geschwindigkeit des Abgasturboladers schneller reduziert und somit ebenfalls schneller die Ladeluftmenge reduziert, als dies bei einem System ohne Abgasrückführung möglich wäre. Die durchflussreduzierende Stellung der VNT bewirkt, dass ein erhöhter Abgasanteil rückgeführt wird. Dadurch wird eine schnellere Anpassung bei einem Lastwechsel, insbesondere zu einer geringeren Solllast erzielt. Ergänzend kann dabei über eine (bereits beschriebene) Bremswirkung des elektrischen Antriebs die Ladeluftmenge weiter reduziert werden. Gerade über die Kombination dieser Mittel kann das Ansprechverhalten deutlich verbessert werden.Preferably, the exhaust gas turbocharger is designed as a Variable Nozzle turbine VNT and to reduce the charge air, the vane position of the VNT is brought into a flow-reduced position in which less exhaust gas flows through the exhaust gas turbocharger, and exhaust gas is passed through a high-pressure exhaust gas recirculation into the charge air line. As a result, the speed of the exhaust gas turbocharger is reduced faster and thus also faster reduces the charge air quantity than would be possible in a system without exhaust gas recirculation. The flow-reducing position of the VNT causes an increased proportion of exhaust gas to be recirculated. As a result, a faster adjustment is achieved in a load change, in particular to a lower target load. In addition, the charge air quantity can be further reduced by way of a (already described) braking effect of the electric drive. Especially through the combination of these agents, the response can be significantly improved.

Zudem ist vorteilhaft, wenn der Katalysator als ein Partikelfilter und insbesondere als ein Dieselpartikelfilter ausgeführt ist und zur Regenerierung des Partikelfilters die Schaufelstellung der VNT in eine reduzierende Stellung gebracht wird und Abgas über eine Hochdruckabgasrückführung in den Ladeluftstrang geleitet wird. Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der Katalysator regeneriert werden. Dabei wirkt doppelt, dass zunächst durch die geringere Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers dem Motor weniger Ladeluft zugeführt wird und gleichzeitig ein Strom des heißen Abgases in den Motor rückgeführt wird, was dessen Abgastemperatur naturgemäß erhöht. Durch dieses Verfahren kann der Katalysator deutlich schneller auf die Regenerationstemperatur gebracht werden, was dessen Dauer und den dafür verwendeten Kraftstoff nennenswert reduziert. Hier ergibt sich ein besonderer Vorteil dadurch, dass elektrische Energie rekuperiert werden kann. Auch kann es den Fall geben, dass diese Reduktion des Ladedrucks nicht ausreicht, und so kann der Ladedruck zusätzlich über eine Drosselklappe reduziert werden. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass zur Reduktion des Ladedrucks der elektrische Motor am Turbolader genutzt wird, wodurch wiederum Energie rekuperiert wird.In addition, it is advantageous if the catalytic converter is designed as a particulate filter and in particular as a diesel particulate filter and the vane position of the VNT is brought into a reducing position for regeneration of the particulate filter and exhaust gas is passed into the charge air line via a high-pressure exhaust gas recirculation. As a result, the catalyst can be regenerated with simple means. It acts twice, that initially the lower rotational speed of the exhaust gas turbocharger the engine less charge air is supplied and at the same time a stream of hot exhaust gas is recirculated into the engine, which naturally increases the exhaust gas temperature. By this method, the catalyst can be brought much faster to the regeneration temperature, which significantly reduces its duration and the fuel used for it. This results in a particular advantage in that electrical energy can be recuperated. It may also be the case that this reduction of the boost pressure is not sufficient, and so the charge pressure can be additionally reduced via a throttle valve. The advantage of the invention is that to reduce the boost pressure of the electric motor is used on the turbocharger, which in turn energy is recuperated.

Zudem kann bevorzugt eine Steuerung über die Stellung eines Ventils eines Wastegates und die Stellung von Schaufeln einer Variable Nozzle Turbine VNT und einen Antrieb des Abgasturboladers sowohl die Abgasrückführrate als auch die Ladeluftmenge regeln. Insbesondere lässt sich somit der Ladedruck unabhängig vom Abgasgegendruck bestimmen. Dadurch ergeben sich Vorteile im transienten Ansprechverhalten und der Regelung des AGR Massenstroms. So kann z.B. das Abgas über eine HD AGR rezirkuliert werden in Bereichen des Motorkennfelds, die ein sehr geringes treibendes Druckgefälle zwischen Abgas- und Ansaugseite aufweisen. Dazu wird das Druckgefälle über den Antrieb des elektrischen Turboladers künstlich erhöht. Der Antrieb ist insbesondere eingerichtet, den Abgasturbolader zu beschleunigen und abzubremsen. Zudem können über diese Stellgrößen weitere Parameter geregelt werden, wie z.B. der Druck im Ladeluftstrang und/oder dem Abgasstrang.In addition, a control over the position of a valve of a wastegate and the position of blades of a Variable Nozzle turbine VNT and a drive of the exhaust gas turbocharger can preferably control both the exhaust gas recirculation rate and the charge air quantity. In particular, the charge pressure can thus be determined independently of the exhaust backpressure. This results in advantages in the transient response and the regulation of the EGR mass flow. Thus, e.g. The exhaust gas is recirculated via an HD EGR in areas of the engine map, which have a very low driving pressure gradient between exhaust and suction side. For this purpose, the pressure gradient is artificially increased via the drive of the electric turbocharger. The drive is particularly adapted to accelerate and decelerate the exhaust gas turbocharger. In addition, these parameters can be used to regulate further parameters, such as the pressure in the charge air line and / or the exhaust line.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

  • 1 einen beispielhaften Aufbau des Ladeluft- und Abgasstrangs eines Motors und
  • 2 den Aufbau der 1 mit zwei unterschiedlichen Varianten einer Abgasrückführung.
The invention will be explained by way of example with reference to the figures. Show it:
  • 1 an exemplary structure of the charge air and exhaust gas system of an engine and
  • 2 the construction of the 1 with two different variants of exhaust gas recirculation.

1 zeigt schematisch einen Motor 20, der bspw. vier Zylinder aufweisen kann. Das Abgas des Motors 20 wird über einen Abgasauslass 30 ausgeleitet und zu einem Abgasturbolader 40 weitergeführt. Dort treibt es eine Antriebswelle an, die ihrerseits dazu verwendet wird, über eine entsprechende Turbine die Ladeluft, die für die Verbrennung im Motor verwendet wird, zu verdichten, so dass ein gewünschter Volumenstrom der Ladeluft in den Motor 20 geleitet wird. Zudem umfasst der Abgasturbolader 40 einen Antrieb 45, der dann ergänzend zum Abgasstrom den Abgasturbolader beschleunigen kann, wenn ein erhöhter Ladeluftdruck bzw. -menge benötigt wird. Dies kann bspw. bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs vorteilhaft sein. Bei einer Beschleunigung tritt der Fahrer stärker auf das Gaspedal des Fahrzeugs und dadurch wird eine erhöhte Brennstoffzufuhr veranlasst. Zu diesem Zeitpunkt wird ebenfalls eine erhöhte Menge an Ladeluft benötigt um weiter die Verbrennung im gewünschten Bereich zu halten. Da aber der Abgasstrom des Motors zu diesem Zeitpunkt noch nicht erhöht ist, kann der Abgasturbolader die benötigte Leistung zur Erzeugung des Ladeluftstroms noch nicht bereitstellen. Der Antrieb 45 ist bevorzugt elektrisch und wirkt dahingehend, dass er den Abgasturbolader antreibt und somit dessen Leistung erhöht, um so die Ladeluftmenge wie gefordert zu erhöhen. 1 schematically shows a motor 20 which may, for example, have four cylinders. The exhaust of the engine 20 is via an exhaust outlet 30 discharged and to an exhaust gas turbocharger 40 continued. There it drives a drive shaft, which in turn is used to compress via a corresponding turbine, the charge air, which is used for combustion in the engine, so that a desired volume flow of the charge air into the engine 20 is directed. In addition, the exhaust gas turbocharger includes 40 a drive 45 , which then can accelerate the exhaust gas turbocharger in addition to the exhaust gas flow, if an increased charge air pressure or quantity is needed. This can be advantageous, for example, during acceleration of the vehicle. When accelerating, the driver more strongly acts on the accelerator pedal of the vehicle and thereby causes an increased fuel supply. At this time, an increased amount of charge air is also needed to keep the combustion in the desired range. However, since the exhaust gas flow of the engine is not increased at this time, the exhaust gas turbocharger can not yet provide the required power for generating the charge air flow. The drive 45 is preferably electrical and acts to drive the exhaust gas turbocharger and thus increase its power so as to increase the charge air amount as required.

Zudem ist in 1 ein optionales Wastegate 35 gezeigt. Das Wastegate 35 ist ein Bypass, der parallel zu dem Abgasturbolader und insbesondere dessen Abgaskanal angeordnet ist. Wenn bei einer sehr hohen Motorleistung so viel Abgas bereitgestellt wird, dass der Abgasturbolader es nicht verarbeiten kann und/oder wenn die benötigte Ladeluftmenge geringer ist, als es sich aus dem Abgasvolumen (bzw. Enthalpie-)strom ergeben würde, so kann die Motorsteuerung ein Ventil 36 des Wastegates 35 öffnen, so dass ein Anteil des Abgases parallel zum Abgasturbolader 40 fließt und ihn somit umgeht. In einer ersten Ausführungsform kann eine einfache Steuerung verwendet werden, die dem Ventil 36 den Befehl des Zustands des offen-Seins und des geschlossen-Seins vorgibt. In einer anderen Ausführungsform (nicht dargestellt) kann im Ladeluftstrang eine Vorrichtung zum Messen des Ladeluftdrucks vorgesehen sein und eine Übertragung dieses Werts kann für die Öffnung des Ventils 36 verwendet werden. Hierbei kann bevorzugt eine proportionale Entsprechung zum Einsatz kommen und die Übertragung kann bspw. mit einer einfachen mechanischen Kopplung geschehen. Dabei kann bspw. in den Ladeluftstrom eine Druckmessdose integriert sein und deren Ausschlag wird zur Steuerung des Ventils 36 verwendet.Moreover, in 1 an optional wastegate 35 shown. The wastegate 35 is a bypass, which is arranged parallel to the exhaust gas turbocharger and in particular its exhaust passage. If at a very high engine power so much exhaust gas is provided that the exhaust gas turbocharger can not process it and / or if the required charge air quantity is lower than it would result from the exhaust gas volume (or enthalpy), the engine control can Valve 36 of the wastegate 35 open, so that a portion of the exhaust gas flows parallel to the exhaust gas turbocharger 40 and thus bypasses it. In a first embodiment, a simple control may be used, which is the valve 36 gives the command of the state of being open and of being closed. In another embodiment (not shown) may be provided in the charge air line, a device for measuring the charge air pressure and a transmission of this value can for the opening of the valve 36 be used. In this case, preferably a proportional correspondence can be used and the transmission can be done, for example, with a simple mechanical coupling. In this case, for example, be integrated into the charge air flow, a pressure cell and its rash is used to control the valve 36 used.

Zudem ist in 1 ein Katalysator 60 gezeigt, der in Abgasrichtung hinter dem Verbrennungsraum des Motors 20 und vor dem Abgasturbolader 40 bzw. dessen Bypass 35 angeordnet ist.Moreover, in 1 a catalyst 60 shown in the exhaust direction behind the combustion chamber of the engine 20 and in front of the turbocharger 40 or its bypass 35 is arranged.

Wenn das Fahrzeug unter gleichmäßigen Fahrbedingungen (also z.B. konstante Geschwindigkeit) betrieben wird, so hat der Katalysator 60 aufgrund des thermischen Gleichgewichts keinen (wesentlichen) Einfluss auf die Abgastemperatur, die beim Abgasturbolader 40 ankommt. Allerdings kann der Katalysator aufgrund seiner Masse als Wärmesenke und Wärmequelle agieren. Er wirkt insbesondere bei einem Kaltstart oder beim Beschleunigen als Wärmesenke. D.h. zu diesen Bedingungen ist das Abgas wärmer als die Katalysatortemperatur, was dazu führt, dass der Katalysator 60 sich erwärmt und folglich der Abgasstrom abgekühlt wird, so dass der Katalysator 60 über das Abgas einen geringeren Enthalpiestrom erhält und dass er nicht die Ladeluft so verdichten kann, wie es eigentlich benötigt ist. Neben dem Einfluss des Katalysators 60 auf die Abgasenthalpie besteht in dem Katalysator 60 zweiter Effekt eines Druckabfalls und ein dritter Effekt einer Volumenreduktion des Abgases durch die Abkühlung im (noch kälteren) Katalysator. Entsprechend wirken der zweite und dritte Effekt dahingehend, dass nicht ausreichend Ladeluft verdichtet werden kann.If the vehicle is operated under steady driving conditions (eg constant speed), then the catalyst has 60 due to the thermal equilibrium no (significant) influence on the exhaust gas temperature, the exhaust gas turbocharger 40 arrives. However, due to its mass, the catalyst can act as a heat sink and heat source. It acts especially as a heat sink when cold starting or when accelerating. That is, at these conditions, the exhaust gas is warmer than the catalyst temperature, resulting in the catalyst 60 heats up and consequently the exhaust gas flow is cooled, leaving the catalyst 60 through the exhaust gas receives a lower Enthalpiestrom and that he can not compress the charge air as it is actually needed. Besides the influence of the catalyst 60 on the exhaust enthalpy exists in the catalyst 60 second effect of a pressure drop and a third effect of a volume reduction of the exhaust gas by the cooling in the (even colder) catalyst. Accordingly, the second and third effect to the effect that not enough charge air can be compressed.

Zunächst wird näher auf die Bedingungen beim Beschleunigen des Motors eingegangen, wo das Problem des „Turbolochs“ bekannt ist. Als Turboloch wird ein Effekt bezeichnet, der ausschließlich bei aufgeladenen Motoren auftritt. Im unteren Lastbereich arbeitet der Motor nur als Saugmotor, da die Abgasmenge nicht ausreicht und/oder nicht benötigt wird, um den Abgasturbolader auf hoher Drehzahl zu halten. Wegen der niedrigen Drehzahl kann der Verdichter die Luft nicht stark genug komprimieren; er erreicht seinen Regelladedruck erst oberhalb einer bestimmten Drehzahl. Der Fahrer bemerkt das Turboloch durch eine zunächst nur mäßige Beschleunigung des Wagens, selbst wenn er das Gaspedal voll betätigt, denn eine vom Ladedruck abhängige Regelung sorgt dafür, dass die maximal mögliche Einspritzmenge (trotz „Vollgas“) nur um den Grad erhöht wird, um den der Ladedruck steigt. Während der anfangs zähen Beschleunigung steigt die Drehzahl des Laders nur langsam an und damit auch der Ladedruck; ab einer charakteristischen Motordrehzahl (je nach Motor zwischen 1600 und 2500 U/min) erreicht er jedoch relativ schnell sein Maximum, da die Welle des Turboladers wegen des nun ausreichenden Abgasstroms schnell genug dreht und deshalb den Regelladedruck aufbauen kann. Diese Verzögerung wird bei älteren Motoren als dieses „Loch“ empfunden.First, the conditions for accelerating the engine are discussed in more detail, where the problem of the "turbo lag" is known. As a turbo lag is called an effect that occurs only in turbocharged engines. In the lower load range, the engine operates only as a naturally aspirated engine, since the amount of exhaust gas is insufficient and / or not needed to keep the exhaust gas turbocharger at high speed. Because of the low speed, the compressor can not compress the air strong enough; he reached its control boost pressure only above a certain speed. The driver notices the turbo lag by initially only modest acceleration of the car, even if he presses the accelerator pedal fully, because a dependent of the boost pressure control ensures that the maximum possible injection quantity (despite "full throttle") is increased only by the degree the boost pressure rises. During the initially tough acceleration, the speed of the supercharger increases only slowly and thus also the boost pressure; However, from a characteristic engine speed (depending on the engine between 1600 and 2500 rpm), it reaches its maximum relatively quickly, because the shaft of the turbocharger rotates fast enough because of the now sufficient exhaust gas flow and therefore can build up the supercharging boost pressure. This delay is felt in older engines as this "hole".

Es wurde als ein wesentlicher Aspekt der Erfindung erkannt, dass ein umgekehrter Effekt gerade dann auftreten kann, wenn der Katalysator vor dem Abgasturbolader angeordnet ist und der Fahrer den Fuß vom Gaspedal nimmt. Da dann der Abgasstrom aus dem Motor weniger heiß ist, wirkt der Katalysator als Wärmequelle und heizt ihn auf (Enthalpiezunahme), so dass folglich der Abgasturbolader mehr Ladeluft fördern würde, als dies notwendig bzw. gewünscht ist. Und um dieses Problem zu beseitigen, kann der motorische Antrieb durch die Motorsteuerung als Bremse und/oder als Generator gesteuert werden. Durch beide Möglichkeiten wird ein Widerstand auf den Abgasturbolader bewirkt, was seine Drehgeschwindigkeit unmittelbar reduziert und so die Ladeluftmenge wie gewünscht reduziert. Als das direkte Ergebnis kann dadurch ein Ladeluftüberschuss verhindert werden. Wenn also z.B. der Druck im Ladeluftbereich des Motoransaugbereichs zu groß wird, kann er mit diesem Mittel reduziert werden. Das Bremsen der Rotation des Abgasturboladers 40 wirkt zeitlich deutlich unmittelbarer als z.B. ein Öffnen des Bypasses 35 oder ein Verstellen von Schaufeln eines entsprechend verstellbaren VNT-Turboladers. So wird ein ungewünschtes Ladeluft /Kraftstoff- Verhältnis bei einer Reduzierung des Durchtretens des Gaspedals und/oder einer Betätigung des Bremspedals vermieden oder zumindest reduziert.It has been recognized as an essential aspect of the invention that a reverse effect can occur just when the catalyst is arranged in front of the exhaust gas turbocharger and the driver takes his foot off the gas pedal. Since then the exhaust gas flow from the engine is less hot, the catalyst acts as a heat source and heats it up (enthalpy increase), so that consequently the exhaust gas turbocharger would promote more charge air than is necessary or desired. And to remedy this problem, the motor drive can be controlled by the motor control as a brake and / or as a generator. By both ways, a resistance to the exhaust gas turbocharger is effected, which directly reduces its rotational speed and thus reduces the charge air quantity as desired. As the direct result, a charge air surplus can be prevented. If, for example, the pressure in the charge air region of the engine intake area becomes too great, it can be reduced by this means. The braking of the rotation of the exhaust gas turbocharger 40 has a much more immediate time than, for example, opening the bypass 35 or adjusting blades of a suitably adjustable VNT turbocharger. Thus, an undesired charge air / fuel ratio is avoided or at least reduced with a reduction in the passage of the accelerator pedal and / or an actuation of the brake pedal.

Neben und/oder zusätzlich zu dem Vorteil der verbesserten Fahrbedingungen kann auch elektrische Energie dadurch rekuperiert werden, dass der motorische Antrieb 45 des Abgasturboladers 40 als ein Generator verwendet wird und die so generierte elektrische Energie in das Bordnetz eingespeist wird und/oder damit eine Batterie geladen wird.In addition to and / or in addition to the advantage of the improved driving conditions, electrical energy can also be recuperated by the motor drive 45 of the exhaust gas turbocharger 40 is used as a generator and the electrical energy thus generated is fed into the electrical system and / or so that a battery is charged.

Alternativ und/oder zusätzlich zum Wastegate 35 kann der Abgasturbolader 40 als eine Variable Nozzle Turbine VNT ausgestaltet sein, bei der die Leitschaufeln des abgasseitigen Eingangs des Abgasturboladers 40 verstellbar sind, so dass er abhängig von deren Stellung mehr oder weniger beschleunigt wird. Auch mit einem VNT-System kann in den beschriebenen Betriebsbedingungen die Ladeluftförderung reduziert werden. Das (insbesondere ergänzende) Abbremsen durch den elektrischen Antrieb 45 hat den Vorteil, dass die Ansprechgeschwindigkeit deutlich verbessert ist.Alternatively and / or in addition to the wastegate 35 can the exhaust gas turbocharger 40 be designed as a variable Nozzle turbine VNT, where the vanes of the exhaust gas inlet of the exhaust gas turbocharger 40 are adjustable so that it is more or less accelerated depending on their position. Even with a VNT system, the charge air delivery can be reduced in the described operating conditions. The (in particular supplementary) braking by the electric drive 45 has the advantage that the response speed is significantly improved.

Der in 2 gezeigte Aufbau des Motors ist weitgehend identisch zu dem Aufbau der 1, so dass die vorstehend genannten Erläuterungen und Funktionsweisen analog anwendbar sind. Zudem ist eine Abgasrückführung 70 eingezeichnet, die vom Abgasstrang hinter dem Katalysator 60 abgeleitet und in den Ladeluftstrang 15 nach dem Abgasturbolader 40 eingeleitet wird. In einer gestrichelten Linie ist eine alternative Abgasrückführung 70a gezeigt, die unmittelbar nach dem Auslass aus dem Motor und vor dem Katalysator 60 einen Teil vom Abgasstrom abzweigt und in den Ladeluftstrang 15 einleitet. Bevorzugt sind die Abgasrückführungen 70 und 70a alternativ, so dass nur eine dieser Varianten Verwendung findet. Die Variante 70a hat den Vorteil, dass heißeres Abgas in den Ladeluftstrang 15 zugeführt wird, was für die nachfolgend erläuterte Regenerierung des Katalysators 60 vorteilhaft ist. Die Variante 70 hat den alternativen Vorteil, dass bereits gereinigtes Abgas in den Ladeluftstrang 15 geleitet wird, wodurch die Versottung des AGR Kühlers deutlich reduziert wird,The in 2 shown construction of the engine is largely identical to the structure of 1 , so that the above explanations and operations are analogously applicable. In addition, an exhaust gas recirculation 70 drawn from the exhaust line behind the catalyst 60 derived and into the charge air line 15 after the exhaust gas turbocharger 40 is initiated. In a dashed line is an alternative exhaust gas recirculation 70a shown immediately after the exhaust from the engine and before the catalyst 60 a part of the exhaust stream branches off and into the charge air line 15 initiates. The exhaust gas recirculations are preferred 70 and 70a alternatively, so that only one of these variants is used. The variant 70a has the advantage of hotter exhaust gas in the charge air line 15 is supplied, which is for the below-explained regeneration of the catalyst 60 is advantageous. The variant 70 has the alternative advantage that already purified exhaust gas in the charge air line 15 which significantly reduces sooting of the EGR cooler,

Der Abgasturbolader 40 ist bevorzugt als eine Variable Nozzle Turbine VNT ausgeführt, bei der Schaufeln, insbesondere am Abgaseingang, verstellt werden können. Abhängig von der Stellung der Schaufeln gelangt mehr oder weniger Abgas in den Abgasturbolader 40, was bewirkt, dass die Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers höher oder niedriger ist und somit die Ladeluftmenge höher oder niedriger ist. Zudem ist der Abgasdruck im Abgasstrang höher oder niedriger und so wird mehr oder weniger Abgas durch die Abgasrückführung 70, 70a rückgeführt. Durch eine höhere Rückführrate wird bspw. die Stickoxidreduktion verbessert.The turbocharger 40 is preferably designed as a variable Nozzle turbine VNT, can be adjusted at the blades, in particular at the exhaust gas inlet. Depending on the position of the blades more or less exhaust gas passes into the exhaust gas turbocharger 40 , which causes the rotational speed of the exhaust gas turbocharger is higher or lower and thus the charge air quantity is higher or lower. In addition, the exhaust gas pressure in the exhaust system is higher or lower and so is more or less exhaust gas through the exhaust gas recirculation 70 . 70a recycled. By a higher return rate, for example, the nitrogen oxide reduction is improved.

Vorteilhaft ist ferner, wenn bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Abgasrückführung 70 oder 70a und zudem ein Wastegate 35 zum Einsatz kommt, da so das Volumen des rückgeführten Abgases unabhängig von dem Ladeluftvolumen gesteuert, bzw. geregelt werden kann. Dies geschieht insbesondere über den elektrischen Antrieb 45 bzw. dessen Bremsung des Abgasturboladers 40 in Kombination mit der Stellung des entsprechenden Ventils 36.It is also advantageous if, in a preferred embodiment of the invention, an exhaust gas recirculation 70 or 70a and also a wastegate 35 is used, since so the volume of the recirculated exhaust gas can be controlled or regulated independently of the charge air volume. This happens in particular via the electric drive 45 or its braking of the exhaust gas turbocharger 40 in combination with the position of the corresponding valve 36 ,

Für die Regeneration eines Katalysators 60, der einen Partikelfilter umfasst, kann die VNT ebenfalls in die reduzierende Stellung gebracht werden. Dies bedeutet, dass durch die reduzierte Ladeluftmenge und zusätzlich durch das heiße rückgeführte Abgas die Motortemperatur steigt und so Ruß im Partikelfilter abgebrannt werden kann.For the regeneration of a catalyst 60 , which includes a particulate filter, the VNT can also be brought into the reducing position. This means that due to the reduced charge air quantity and additionally due to the hot recirculated exhaust gas, the engine temperature rises and so the soot in the particulate filter can be burned off.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1515
LadeluftstrangCharge air train
2020
Motor, VerbrennungsmotorEngine, internal combustion engine
3030
Abgasauslassexhaust outlet
3535
Wastegatewastegate
3636
Ventil (Wastegateventil)Valve (wastegate valve)
4040
Abgasturboladerturbocharger
4545
(elektrischer) Antrieb(electric) drive
6060
Katalysatorcatalyst
70, 70a70, 70a
zwei unterschiedliche Optionen einer Abgasrückführungtwo different options for exhaust gas recirculation

Claims (10)

Abgasstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (20); wobei ein Katalysator (60) zwischen dem Abgasauslass (30) des Verbrennungsmotors (20) und einem Abgasturbolader (40) angeordnet ist und der Abgasturbolader (40) einen elektrischen Antrieb (45) umfasst und eine Steuerung eingerichtet ist, über den elektrischen Antrieb (45) die Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers (40) zu erhöhen und zu reduzieren.Exhaust line for a motor vehicle with an internal combustion engine (20); wherein a catalytic converter (60) is arranged between the exhaust gas outlet (30) of the internal combustion engine (20) and an exhaust gas turbocharger (40) and the exhaust gas turbocharger (40) comprises an electric drive (45) and a control is set up via the electric drive (45 ) to increase and reduce the rotational speed of the exhaust gas turbocharger (40). Abgasstrang gemäß Anspruch 1, wobei ein mit einem Ventil (36) versehenes Wastegate (35) parallel zum Abgasturbolader (40) angeordnet ist, um ventilzustandsabhängig ein Umgehen von Abgas des Abgasturboladers (40) zu erlauben. Exhaust line according to Claim 1 in which a wastegate (35) provided with a valve (36) is arranged parallel to the exhaust-gas turbocharger (40) in order to permit bypassing of exhaust-gas of the exhaust-gas turbocharger (40) depending on the valve state. Abgasstrang gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Abgasturbolader (40) als eine Variable Nozzle Turbine (VNT) eingerichtet ist, eine Veränderung einer Schaufelstellung vorzunehmen.Exhaust line according to Claim 1 or 2 wherein the exhaust gas turbocharger (40) is configured as a Variable Nozzle Turbine (VNT) to make a change in a vane position. Abgasstrang gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Abgasturbolader (40) und insbesondere eine Motorsteuerung eingerichtet ist, für eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers (40) Energie als elektrische Energie zu rekuperieren.Exhaust line according to one of the preceding claims, wherein the exhaust gas turbocharger (40) and in particular a motor control is arranged to recuperate energy as electrical energy for reducing the rotational speed of the exhaust gas turbocharger (40). Abgasstrang gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abgasturbolader (40) und insbesondere eine Motorsteuerung eingerichtet ist, für eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit des Abgasturboladers (40) über den elektrischen Antrieb (45) entsprechende Energie zu dissipieren.Exhaust line according to one of Claims 1 to 3 wherein the exhaust gas turbocharger (40) and in particular a motor control is arranged to dissipate corresponding energy for reducing the rotational speed of the exhaust gas turbocharger (40) via the electric drive (45). Abgasstrang gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Steuerung eingerichtet ist, als einen Parameter für die Abbremsung des Abgasturboladers den Lastpunkt oder die Abweichung zwischen Soll- und Istladedruck zu verwenden.Exhaust tract according to one of the preceding claims, wherein the controller is adapted to use as a parameter for the deceleration of the exhaust gas turbocharger, the load point or the deviation between the target and Istladedruck. Verfahren zur Steuerung eines Abgasturboladers (40), der einen elektrischen Antrieb (45) zur Erhöhung der Abgasturboladergeschwindigkeit umfasst, wobei verbrennungszustandsabhängig, insbesondere abhängig von einem Ladedrucküberschuss, der Abgasturbolader (40) durch den elektrischen Antrieb (45) abgebremst wird wobei insbesondere das Motorabgas zu einem Katalysator (60) und nachfolgend zum Abgasturbolader (40) geleitet wird und insbesondere als ein Parameter für die Abbremsung des Abgasturboladers der Lastpunkt oder die Abweichung zwischen Soll- und Istladedruck verwendet wird.Method for controlling an exhaust gas turbocharger (40) comprising an electric drive (45) for increasing the exhaust gas turbocharger speed, wherein the exhaust gas turbocharger (40) is braked by the electric drive (45) depending on the combustion pressure, in particular the engine exhaust gas a catalyst (60) and subsequently to the exhaust gas turbocharger (40) is passed and particularly is used as a parameter for the deceleration of the turbocharger, the load point or the deviation between the setpoint and Istladedruck. Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei der Abgasturbolader (40) als eine Variable Nozzle Turbine VNT ausgeführt ist und die Schaufelstellung der VNT (40) und die elektrische Maschine des Turboladers zur gleichzeitigen Regelung des Ladedrucks und der rückgeführten Abgasmasse genutzt werden.Method according to Claim 7 wherein the exhaust gas turbocharger (40) is designed as a Variable Nozzle turbine VNT and the vane position of the VNT (40) and the electric machine of the turbocharger are used for the simultaneous control of the boost pressure and the recirculated exhaust gas mass. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Katalysator (60) als ein Partikelfilter und insbesondere als ein Dieselpartikelfilter ausgeführt ist und zur Regenerierung des Partikelfilters die Schaufelstellung einer VNT in eine reduzierende Stellung gebracht wird und Abgas über eine Hochdruckabgasrückführung in den Ladeluftstrang geleitet wird.Method according to one of Claims 7 or 8th wherein the catalyst (60) is designed as a particulate filter and in particular as a diesel particulate filter and is brought to regenerate the particulate filter, the vane position of a VNT in a reducing position and exhaust gas is passed via a high-pressure exhaust gas recirculation into the charge air line. Verfahren gemäß einem der einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei eine Steuerung über die Stellung eines Ventils (36) eines Wastegates (35) und die Stellung von Schaufeln einer Variable Nozzle Turbine VNT und einen Antrieb (45) des Abgasturboladers (40), der insbesondere eingerichtet ist den Abgasturbolader (40) zu beschleunigen und abzubremsen, sowohl die Abgasrückführrate und auch die Ladeluftmenge regelt.Method according to one of the one of Claims 7 to 9 wherein a control over the position of a valve (36) of a Wastegates (35) and the position of blades of a variable Nozzle turbine VNT and a drive (45) of the exhaust gas turbocharger (40), which is in particular adapted to accelerate the exhaust gas turbocharger (40) and decelerate, both the exhaust gas recirculation rate and the charge air quantity controls.
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