DE102018209238A1 - Exhaust-engine-loaded internal combustion engine with exhaust gas recirculation and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit- einem Ansaugsystem (1) zum Zuführen von Ladeluft,- einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,- mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem (1) angeordneten Verdichter (2) umfasst, wobei der Verdichter (2) mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und- einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (5c) in das Ansaugsystem (1) mündet.Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, mit der große Abgasmengen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Abgasrückführung entgegengewirkt werden kann.Erreicht wird dies mit einer Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass- das Ansaugsystem (1) stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einem Phasenwechselmaterial (4) ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial (4) bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.The invention relates to a supercharged internal combustion engine with an intake system (1) for supplying charge air, - an exhaust gas removal system for discharging exhaust gas, - at least one exhaust gas turbocharger comprising a turbine arranged in the exhaust gas removal system and a compressor (2) arranged in the intake system (1) wherein the compressor (2) is equipped with at least one impeller mounted on a rotatable shaft in a compressor housing, and an exhaust gas recirculation comprising a return line upstream of the at least one compressor impeller forming a first junction (5c) in the intake system (1) It is intended to provide an internal combustion engine of the type mentioned, with which large amounts of exhaust gas upstream of the compressor can be introduced into the intake system and with which, in particular, the formation of condensate in the context of exhaust gas recirculation can be counteracted. This is achieved with an internal combustion engine which is d It is characterized in that the intake system (1) is equipped upstream of the at least one compressor wheel with a phase change material (4) which is in the form of a liquid phase or a solid phase, the phase change material (4) either absorbing heat or giving off heat in a phase transition ,
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- - mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
- - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.
- an intake system for supplying charge air,
- an intake system for supplying charge air,
- an exhaust gas removal system for removing exhaust gas,
- - At least one exhaust gas turbocharger, which comprises a turbine arranged in the Abgasabführsystem and a compressor arranged in the intake system, wherein the compressor is equipped with at least one mounted in a compressor housing on a rotatable shaft impeller, and
- - An exhaust gas recirculation comprising a return line, which opens upstream of the at least one compressor impeller to form a first node in the intake system.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.Furthermore, the invention relates to a method for operating such an internal combustion engine.
Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine relates to diesel engines and gasoline engines, but also to hybrid internal combustion engines, i. Internal combustion engines, which are operated with a hybrid combustion method, and hybrid drives, which comprise at least one further torque source for driving a motor vehicle in addition to the internal combustion engine, for example a drive-connected to the engine or drive connected electric machine, which instead of the internal combustion engine or in addition to Internal combustion engine gives off power.
Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Brennkraftmaschinen werden daher zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.In the development of internal combustion engines, efforts are constantly being made to minimize fuel consumption. Internal combustion engines are therefore increasingly equipped with a charge, the charge is primarily a method of increasing performance, in which the charge air required for the engine combustion process is compressed, whereby each cylinder per cycle a larger charge air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, then the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with a suitable transmission design and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, i. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Häufig wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Ladeluftkühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.Frequently, an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Frequently, a charge air cooler is provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before entering the at least one cylinder. The radiator lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the intercooler for a better filling of the cylinder, i. contributes to a larger air mass. There is a compaction by cooling.
Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a mechanical supercharger is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine or is required. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Ein weiteres grundsätzliches Ziel ist es, die Schadstoffemissionen zu reduzieren. Bei der Lösung dieser Aufgabe kann die Aufladung ebenfalls zielführend sein. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können nämlich Vorteile im Wirkungsgrad und bei den Abgasemissionen erzielt werden. Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten sind neben der Aufladung aber weitere innermotorische Maßnahmen erforderlich.Another fundamental goal is to reduce pollutant emissions. In the solution of this task, the charging can also be effective. With targeted design of the charge namely benefits in efficiency and in the exhaust emissions can be achieved. In order to comply with future limits for pollutant emissions in addition to the charge but further internal engine measures required.
So dient die Abgasrückführung zur Reduzierung der Stickoxidrohemissionen. Die Rückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR / (mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet. Der via Abgasrückführung bereitgestellte Sauerstoff ist gegebenenfalls zu berücksichtigen. Exhaust gas recirculation, for example, reduces nitrogen oxide emissions. The recirculation rate x AGR is determined to be x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR designates the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the fresh air supplied. The oxygen provided via exhaust gas recirculation may need to be considered.
Die erfindungsgemäße mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, deren Rückführleitung stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet.The inventive supercharged by exhaust gas turbocharger internal combustion engine is equipped with an exhaust gas recirculation, the return line opens upstream of the at least one compressor impeller to form a first node in the intake system.
Die Abgasrückführung kann vorliegend eine Hochdruck-AGR sein, die stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und in das Ansaugsystem einleitet, oder eine Niederdruck-AGR, die Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Eine Niederdruck-AGR umfasst eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.The exhaust gas recirculation may in the present case be a high-pressure EGR, which removes exhaust gas from the exhaust gas removal system upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger and introduces it into the intake system, or a low-pressure EGR which has recirculated exhaust gas to the inlet side, which has already passed through the turbine. A low pressure EGR includes a return line that branches off the exhaust removal system downstream of the turbine and discharges into the intake system upstream of the compressor.
Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.The main advantage of the low-pressure EGR compared with the high-pressure EGR is that the exhaust gas flow introduced into the turbine is not reduced by the amount of recirculated exhaust gas in the case of exhaust gas recirculation. It is always the entire exhaust gas flow to the turbine to generate a sufficiently high boost pressure available.
Das mittels Abgasrückführung auf die Einlassseite zurückgeführte und vorzugsweise gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.The exhaust gas recirculated to the inlet side and preferably cooled exhaust gas is mixed upstream of the compressor with fresh air. The mixture of fresh air and recirculated exhaust gas produced in this way forms the charge air, which is supplied to the compressor and compressed.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Abgasrückführung Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da vorzugsweise Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.It is harmless that exhaust gas is passed through the compressor as part of the exhaust gas recirculation, since preferably exhaust gas is used, which downstream of the turbine of an exhaust aftertreatment, in particular in a particulate filter was subjected. Deposits in the compressor, which change the geometry of the compressor, in particular the flow cross-sections, and thus worsen the efficiency of the compressor, are therefore not to be feared.
Probleme können sich hingegen stromaufwärts des Verdichters ergeben, wenn die Temperatur des rückgeführten heißen Abgases abnimmt und sich Kondensat bildet. Dabei sind zwei Szenarien zu unterscheiden.However, problems may arise upstream of the compressor as the temperature of the recirculated hot exhaust gas decreases and condensate forms. There are two scenarios to distinguish.
Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d.h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas bzw. in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.On the one hand, condensate can form when the returned hot exhaust gas coincides with cool fresh air and is mixed. The exhaust gas cools, whereas the temperature of the fresh air is raised. The temperature of the mixture of fresh air and recirculated exhaust gas, i. the charge air temperature is below the exhaust gas temperature of the recirculated exhaust gas. As part of the cooling of the exhaust gas previously liquids in gaseous form in the exhaust gas or in the charge air, in particular water, condense out when the taut temperature of a component of the gaseous charge air flow is exceeded.
Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.It comes to a condensation in the free charge air flow, often impurities in the charge air form the starting point for the formation of condensate droplets.
Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn das rückgeführte heiße Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Verdichtergehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.On the other hand, condensate can form if the recycled hot exhaust gas or the charge air strikes the inner wall of the intake system or on the inner wall of the compressor housing, since the wall temperature is usually below the taut temperature of the relevant gaseous components.
Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.Condensate and condensate droplets are undesirable and lead to increased noise in the intake system, possibly damaging the blades of the at least one compressor impeller. The latter is associated with a reduction in the efficiency of the compressor.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.The problem described above is exacerbated with increasing recirculation rate, since with the increase in the amount of recirculated exhaust gas, the proportions of the individual exhaust gas components in the charge air inevitably increase, in particular the proportion of water contained in the exhaust gas. In the prior art, therefore, the amount of recirculated exhaust gas is often limited in order to prevent or reduce the condensation. The necessary limitation on the one hand and the high exhaust gas recirculation rates required for a significant reduction in nitrogen oxide emissions on the other hand lead to different objectives in the dimensioning of the recirculated exhaust gas quantity. The legal requirements for the reduction of nitrogen oxide emissions illustrate the high relevance of this problem in practice.
Nach dem Stand der Technik wird das Ansaugsystem daher auch im Einzelfall mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, mit der die Temperatur der Innenwandung des Ansaugsystems erhöht werden kann. Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden. Dabei handelt es sich um ein aufwendiges und kostenintensives Konzept.According to the prior art, the intake system is therefore also provided in a particular case with a heater with which the temperature of the inner wall of the intake system can be increased. Condensation on the inner wall of the intake system can be avoided in this way or diminished. It is a complex and costly concept.
Insofern kann der aufgezeigte Konflikt nach dem Stand der Technik nicht kostengünstig aufgelöst werden, so dass häufig zusätzlich eine Hochdruck-AGR zum Einsatz kommen muss, die stromaufwärts der Turbine des Abgasturboladers aus dem Abgasabführsystem entnommenes Abgas stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem und die im Ansaugsystem befindliche komprimierte und erwärmte Ladeluft einleitet.In this respect, the indicated conflict according to the prior art can not be resolved cost-effectively, so that in addition often a high-pressure EGR must be used, the exhaust gas taken from the Abgasabführsystem upstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger downstream of the compressor in the intake system and located in the intake system Introduced compressed and heated charge air.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, große Abgasmengen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Abgasrückführung entgegengewirkt werden kann.Against this background, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the disadvantages known from the prior art are overcome, large amounts of exhaust gas upstream of the compressor can be introduced into the intake system and with the particular the condensation can be counteracted in the context of exhaust gas recirculation.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.A further sub-task of the present invention is to show a method for operating such an internal combustion engine.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit
- - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
- - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
- - mindestens einem Abgasturbolader, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst, wobei der Verdichter mit mindestens einem in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagerten Laufrad ausgestattet ist, und
- - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet,
- - das Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.
- an intake system for supplying charge air,
- an exhaust gas removal system for removing exhaust gas,
- - At least one exhaust gas turbocharger, which comprises a turbine arranged in the Abgasabführsystem and a compressor arranged in the intake system, wherein the compressor is equipped with at least one mounted in a compressor housing on a rotatable shaft impeller, and
- an exhaust gas recirculation comprising a return line, which opens into the intake system upstream of the at least one compressor impeller, forming a first junction,
- - The intake system is equipped upstream of the at least one compressor impeller with a phase change material, which is present as a liquid phase or as a solid phase, wherein the phase change material in a phase transition either absorbs heat or releases heat.
Das Ansaugsystem der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet, mit dem die Temperatur der Innenwandung des Ansaugsystems im Bedarfsfall, beispielsweise auch vor oder bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, erhöht werden kann. Mittels Erwärmung kann die Wandtemperatur über die Tautemperatur der gasförmigen Komponenten der Ladeluft bzw. des rückgeführten Abgases hinaus angehoben werden.The intake system of the internal combustion engine according to the invention is equipped with a phase change material with which the temperature of the inner wall of the intake system in case of need, for example, before or during a cold start of the internal combustion engine can be increased. By means of heating, the wall temperature can be raised above the dew temperature of the gaseous components of the charge air or of the recirculated exhaust gas.
Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. an der Innenwandung des Verdichtergehäuses kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.Condensation on the inner wall of the intake system or on the inner wall of the compressor housing can be avoided or reduced in this way.
Mit dem Unterbinden der Bildung von Kondensat im Ansaugsystem und im Eintrittsbereich des Verdichters entfällt auch eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen. Die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des mindestens einen Verdichters wird eliminiert.By blocking the formation of condensate in the intake system and in the inlet region of the compressor, an increased noise emission due to condensate droplets is also eliminated. The risk of damaging the impeller vanes of the at least one compressor is eliminated.
Eine Begrenzung der stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleiteten rückgeführten Abgasmenge ist nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.Limiting the amount of recirculated exhaust gas introduced into the intake system upstream of the compressor is not required, so that high recirculation rates can be realized in order to significantly reduce nitrogen oxide emissions.
Das Phasenwechselmaterial wird im Bedarfsfall aktiviert, beispielsweise mechanisch oder elektrisch stimuliert, in der Art, dass Wärme abgegeben und in das Ansaugsystem eingetragen wird. Dabei durchläuft das Phasenwechselmaterial einen Phasenübergang von der flüssigen Phase zur festen Phase bzw. umgekehrt; je nach verwendetem Material.If necessary, the phase change material is activated, for example mechanically or electrically stimulated, in such a way that heat is released and introduced into the intake system. In this case, the phase change material undergoes a phase transition from the liquid phase to the solid phase or vice versa; depending on the material used.
Um das Phasenwechselmaterial wieder für den nächsten Einsatz bzw. die nächste Verwendung zu präparieren, muss Wärme zugeführt werden, wobei das Phasenwechselmaterial im Rahmen dieser Regeneration wieder einen Phasenübergang vollzieht und zwar in umgekehrter Richtung, d.h. zurück von der festen Phase in die flüssige Phase bzw. umgekehrt.In order to prepare the phase change material again for the next use or the next use, heat must be supplied, wherein the phase change material again performs a phase transition in the context of this regeneration in the reverse direction, i. back from the solid phase to the liquid phase or vice versa.
Das Phasenwechselmaterial gibt bei einem Phasenübergang entweder Wärme ab oder nimmt Wärme auf. D.h. das Material wirkt entweder wie eine thermische Senke, d.h. als Wärme aufnehmender Energiespeicher, oder aber als Wärme abgebende Heizeinrichtung.The phase change material either releases heat or absorbs heat during a phase transition. That the material acts either as a thermal sink, i. as a heat-absorbing energy storage, or as a heat-emitting heater.
Dadurch wird die erste der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden, große Abgasmengen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet werden können und mit der insbesondere der Kondensatbildung im Rahmen der Abgasrückführung entgegen gewirkt werden kann.Thus, the first object of the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine, with which the known from the prior art disadvantages are overcome, large amounts of exhaust gas upstream of the compressor can be introduced into the intake and with the particular condensation in the context of exhaust gas recirculation can be counteracted.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert. Further advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichtergehäuses mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the intake system upstream of the compressor housing is equipped with a phase change material, which is present as a liquid phase or as a solid phase, wherein the phase change material in a phase transition either absorbs heat or gives off heat.
Das Verdichtergehäuse als solches bildet das Ansaugsystem mit aus, so dass es als Teil des Ansaugsystems angesehen werden kann. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform ist aber das Verdichtergehäuse ausgenommen. Das Phasenwechselmaterial wird ausdrücklich nicht im Verdichtergehäuse, sondern im Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichtergehäuses platziert bzw. vorgesehen.As such, the compressor housing forms the intake system so that it can be considered part of the intake system. According to the above embodiment, however, the compressor housing is excluded. The phase change material is expressly not placed or provided in the compressor housing, but in the intake system upstream of the compressor housing.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem am ersten Knotenpunkt mit einem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist, welches als flüssige Phase oder als feste Phase vorliegt, wobei das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang entweder Wärme aufnimmt oder Wärme abgibt.Also advantageous are embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the intake system is equipped at the first node with a phase change material which is present as a liquid phase or as a solid phase, wherein the phase change material either absorbs heat or gives off heat during a phase transition.
An der Stelle des Ansaugsystems, an der das rückgeführte Abgas eingeleitet wird, nämlich am ersten Knotenpunkt, wird das Abgas mit der Frischluft gemischt und regelmäßig stärker umgelenkt, so dass die Gefahr einer Kondensatbildung am ersten Knotenpunkt besonders groß ist. Daher ist es besonders sinnvoll, das Ansaugsystem am ersten Knotenpunkt mit einem Phasenwechselmaterial auszustatten.At the point of the intake system at which the recirculated exhaust gas is introduced, namely at the first node, the exhaust gas is mixed with the fresh air and regularly deflected stronger, so that the risk of condensation on the first node is particularly large. Therefore, it is particularly useful to equip the intake system at the first node with a phase change material.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Phasenwechselmaterial (
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase Wärme aufnimmt.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the phase change material absorbs heat in a phase transition from the solid phase into the liquid phase are advantageous.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Phasenwechselmaterial bei einem Phasenübergang von der festen Phase in die flüssige Phase Wärme abgibt.But can also be advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the phase change material emits heat at a phase transition from the solid phase into the liquid phase.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Radialverdichter ist. Diese Ausführungsform gestattet ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt. Das Verdichtergehäuse kann als Spiral- oder Schneckengehäuse ausgeführt werden, wobei die Umlenkung der Ladeluftströmung im Verdichter des Abgasturboladers in vorteilhafter Weise dazu genutzt werden kann, die komprimierte Ladeluft auf kürzestem Weg von der Auslassseite, auf der die Turbine des Abgasturboladers häufig angeordnet ist, auf die Einlassseite zu führen.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger is a radial compressor are advantageous. This embodiment allows a tight packaging of the exhaust gas turbocharger and thus the overall charge. The compressor housing can be designed as a spiral or worm housing, wherein the deflection of the charge air flow in the compressor of the exhaust gas turbocharger can be used in an advantageous manner to the compressed charge air on the shortest route from the outlet side, on which the turbine of the exhaust gas turbocharger is often arranged on the Lead inlet side.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Turbine des mindestens einen Abgasturboladers eine Radialturbine ist. Diese Ausführungsform gestattet ebenfalls ein dichtes Packaging des Abgasturboladers und damit der Aufladung insgesamt.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the turbine of the at least one exhaust-gas turbocharger is a radial turbine are advantageous. This embodiment also allows a tight packaging of the exhaust gas turbocharger and thus the overall charge.
Anders als bei den Turbinen werden Verdichter über ihre Abströmung definiert. Ein Radialverdichter ist somit ein Verdichter, dessen Abströmung aus den Laufschaufeln im Wesentlichen radial erfolgt. Im Wesentlichen radial bedeutet im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente.Unlike the turbines, compressors are defined by their outflow. A radial compressor is thus a compressor whose outflow from the blades takes place substantially radially. In the context of the present invention, essentially radial means that the velocity component in the radial direction is greater than the axial velocity component.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers ein Axialverdichter ist. Die Abströmung aus den Laufradschaufeln eines Axialverdichters erfolgt im Wesentlichen axial.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust gas turbocharger is an axial compressor can also be advantageous. The outflow from the impeller blades of an axial compressor takes place substantially axially.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter des mindestens einen Abgasturboladers einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the compressor of the at least one exhaust-gas turbocharger has an inlet region which runs coaxially to the shaft of the compressor and is designed so that the inflow of the charge air to the compressor takes place essentially axially are advantageous.
Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.In an axial flow of the compressor often eliminates a deflection or change in direction of the charge air flow in the intake upstream of the at least one compressor impeller, whereby unnecessary pressure losses in the charge air flow due to flow deflection can be avoided and the pressure of the charge air is increased at the inlet to the compressor of the exhaust gas turbocharger. The lack of change in direction also reduces the contact of the exhaust gas or the charge air with the inner wall of the intake system or with the inner wall of the compressor housing and thus reduces the heat transfer and condensation.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung stromabwärts der Turbine des mindestens einen Abgasturboladers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt. Dann handelt es sich bei der Abgasrückführung um eine Niederdruck-AGR, deren Rückführleitung stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the Return line downstream of the turbine of the at least one exhaust gas turbocharger branches off to form a second node from the Abgasabführsystem. Then, the exhaust gas recirculation is a low-pressure EGR whose return line branches off from the exhaust gas removal system downstream of the turbine and opens into the intake system upstream of the compressor.
Bei zugeschalteter Abgasrückführung wird der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom nicht um die rückgeführte Abgasmenge reduziert, so dass immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks bereitgestellt wird.When connected exhaust gas recirculation of the exhaust gas flow introduced into the turbine is not reduced by the recirculated exhaust gas amount, so that always the entire exhaust gas flow is provided to the turbine to generate a sufficiently high boost pressure.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des zweiten Knotenpunktes ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist. Das erste Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu steigern, und damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen bzw. genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which downstream of the second node a first shut-off element in the exhaust-gas removal system is arranged are advantageous. The first shut-off element may be used to increase the exhaust pressure upstream in the exhaust system and thereby contribute to an increase in the pressure differential between the exhaust system and the intake system. This offers particular advantages at high recirculation rates, which require a larger pressure gradient.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des ersten Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist. Das zweite Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit - wie das erste Absperrelement - zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a second shut-off element is arranged in the intake system upstream of the first node are advantageous. The second shut-off element is used on the inlet side to reduce the pressure in the intake system and thus - as the first shut-off - contribute to an increase in the pressure gradient between the Abgasabführsystem and the intake system.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das erste und/oder zweite Absperrelement eine verschwenkbare Klappe ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first and / or second shut-off element is a pivotable flap are advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials mindestens einen Hohlraum aufweist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the intake system for receiving the phase change material has at least one cavity are advantageous.
Das erfindungsgemäße Ansaugsystem muss mindestens einen Hohlraum bzw. mindestens ein Behältnis zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials aufweisen. Ein Hohlraum bzw. Behältnis zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials könnte im Rahmen eines Fertigungsprozesses als integraler Bestandteil des Ansaugsystems mit ausgebildet werden. Das Ansaugsystem könnte modular aufgebaut sein, wobei im Rahmen des Zusammenbaus ein Hohlraum ausgebildet wird, der das Phasenwechselmaterial aufnimmt.The intake system according to the invention must have at least one cavity or at least one container for receiving the phase change material. A cavity or container for receiving the phase change material could be formed as part of a manufacturing process as an integral part of the intake system. The intake system could be modular in construction, wherein a cavity is formed during assembly, which receives the phase change material.
Ein Hohlraum könnte dadurch ausgebildet werden, dass das eigentliche Ansaugsystem mit einer Verschalung versehen wird, so dass sich zwischen dem Ansaugsystem und dem mindestens einen beabstandet angeordneten Schalungselement ein Hohlraum ausbildet, in dem Phasenwechselmaterial aufgenommen wird. Das durch die Verschalung erweiterte Ansaugsystem umfasst dann den Hohlraum bzw. das Behältnis zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials.A cavity could be formed by providing the actual intake system with a casing, so that a cavity is formed between the intake system and the at least one spaced-apart formwork element, in which phase change material is received. The suction system extended by the casing then comprises the cavity or the container for receiving the phase change material.
Vorteilhaft sind aus den vorstehend genannten Gründen auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials zumindest bereichsweise doppelwandig ausgebildet ist.Also advantageous for the reasons mentioned above, embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the intake system for receiving the phase change material is at least partially formed double-walled.
Das Ansaugsystem muss kein monolithisches Bauteil sein, in welches der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Herstellens als integraler Bestandteil mit eingearbeitet wird. Vielmehr ist das Ansaugsystem vorzugsweise ein - beispielsweise aus Blechen - gebautes System, bei dem der mindestens eine Hohlraum im Rahmen des Zusammenbaus unter Verwendung von beabstandet angeordneten Komponenten bzw. Schalungselementen ausgebildet wird. Dadurch ergibt sich auch die Möglichkeit, bereits auf dem Markt befindliche bzw. bereits konzipierte Ansaugsysteme nachzurüsten.The intake system need not be a monolithic component, in which the at least one cavity is incorporated as part of the manufacturing process as an integral part. Rather, the intake system is preferably a system constructed of sheets, for example, in which the at least one cavity is formed during assembly by using spaced apart components or formwork elements. This also gives the possibility to retrofit already existing or already designed intake systems.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Abgasrückführung ein Absperrelement umfasst, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the exhaust gas recirculation includes a shut-off, which serves to adjust the amount of recirculated exhaust gas.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement, welches der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient, am ersten Knotenpunkt angeordnet ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the shut-off element which serves to adjust the recirculated exhaust gas quantity are arranged at the first node point are advantageous.
Besonders vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das Absperrelement ein kombiniertes Ventil ist, mit dem sich sowohl die Menge rückgeführten Abgases als auch die Frischluftmenge einstellen lässt. Ein solches kombiniertes Ventil kann neben dem Ventilgehäuse eine verschwenkbare Klappe und weitere Ventilkomponenten umfassen.Particularly advantageous in this context are embodiments which are characterized in that the shut-off element is a combined valve with which both the amount of recirculated exhaust gas and the amount of fresh air can be adjusted. Such a combined valve may comprise a pivotable flap and further valve components in addition to the valve housing.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Absperrelement als Bestandteil des Ansaugsystems mit dem Phasenwechselmaterial ausgestattet ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the shut-off element is equipped with the phase change material as part of the intake system are advantageous.
Wird als Absperrelement ein kombiniertes Ventil verwendet, wird vorzugsweise das Ventilgehäuse und/oder die verschwenkbare Klappe mit dem Phasenwechselmaterial ausgestattet.If a combined valve is used as the shut-off element, preferably the Valve housing and / or the pivotable flap equipped with the phase change material.
Das Absperrelement als solches bzw. das Ventilgehäuse bildet das Ansaugsystem mit aus, so dass es als Teil des Ansaugsystems angesehen werden kann. Gemäß der vorstehenden Ausführungsform wird das Phasenwechselmaterial im Absperrelement bzw. im Ventilgehäuse platziert bzw. vorgesehen.The shut-off element as such or the valve housing forms the intake system with, so that it can be regarded as part of the intake system. According to the above embodiment, the phase change material is placed in the shut-off element or in the valve housing.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades mit einer Heizeinrichtung ausgestattet ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the intake system is equipped with a heating device upstream of the at least one compressor impeller are advantageous.
Eine Heizeinrichtung kann jederzeit aktiviert und eingesetzt werden, um das Phasenwechselmaterial durch Wärmezufuhr zu regenerieren, und im Bedarfsfall anstelle des Phasenwechselmaterials bzw. zusätzlich zur Erwärmung der Innenwandung des Ansaugsystems beitragen.A heating device can be activated and used at any time to regenerate the phase change material by supplying heat, and if necessary in place of the phase change material or in addition to the heating of the inner wall of the intake system.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Heizeinrichtung mindestens einen im Ansaugsystem integrierten elektrisch beheizbaren Draht umfasst.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the heating device comprises at least one electrically heatable wire integrated in the intake system are advantageous.
Eine Versorgung dieser elektrischen Heizeinrichtung mit Energie kann unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine beispielsweise mittels der Bordbatterie eines Fahrzeuges erfolgen. Der Draht kann bereits beim Herstellen des Ansaugsystems eingebracht werden, beispielsweise in das Ansaugsystem implementiert werden. Auf diese Weise wird ein hoher Wärmeübergang vom Draht in die Wandungen des Ansaugsystems gewährleistet bzw. realisiert.A supply of this electric heater with energy can be done independently of the operating state of the internal combustion engine, for example by means of the on-board battery of a vehicle. The wire can already be introduced during the manufacture of the intake system, for example, be implemented in the intake system. In this way, a high heat transfer from the wire into the walls of the intake system is ensured or realized.
Vorteilhaft können im vorliegenden Zusammenhang auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die Heizeinrichtung mindestens einen im Ansaugsystem angeordneten und mit einem Fluid beaufschlagbaren Kanal umfasst. Die Brennkraftmaschine hat in der Regel mehrere Betriebsflüssigkeiten, die für einen Wärmeintrag in das Ansaugsystem genutzt bzw. herangezogen werden können, beispielsweise das Kühlmittel einer Flüssigkeitskühlung oder das Öl aus einem Ölkreislauf der Brennkraftmaschine.Embodiments of the supercharged internal combustion engine may also be advantageous in the present context, in which the heating device comprises at least one channel which is arranged in the intake system and can be acted upon by a fluid. The internal combustion engine usually has a plurality of operating fluids that can be used or used for heat input into the intake system, for example, the coolant of a liquid cooling or the oil from an oil circuit of the internal combustion engine.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Kanal mit dem Abgasabführsystem zumindest verbindbar ist. Vorliegend wird das heiße Abgas für einen Wärmeintrag in das Gehäuse genutzt, wobei das Abgas dem Abgasabführsystem oder der Abgasrückführung entnommen werden kann.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the at least one channel is at least connectable to the exhaust gas removal system are advantageous. In the present case, the hot exhaust gas is used for a heat input into the housing, wherein the exhaust gas can be taken from the exhaust gas removal system or the exhaust gas recirculation.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Flüssigkeitskühlung sind in diesem Zusammenhang auch Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass der mindestens eine Kanal mit der Flüssigkeitskühlung zumindest verbindbar ist.In supercharged internal combustion engines with liquid cooling, embodiments are also advantageous in this context, which are characterized in that the at least one channel is at least connectable to the liquid cooling.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Knotenpunkt in der Nähe des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines Abstandes Δ ausgebildet und angeordnet ist. Eine verdichternahe Anordnung des ersten Knotenpunktes verkürzt die Wegstrecke des heißen rückgeführten Abgases von der Stelle der Einleitung in das Ansaugsystem bis hin zu dem mindestens einen Verdichterlaufrad, so dass die Zeit, in der sich in der freien Ladeluftströmung Kondensattröpfchen bilden können, reduziert wird. Einer Bildung von Kondensattröpfchen wird dadurch entgegengewirkt.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the first node in the vicinity of the at least one compressor impeller is formed and arranged to form a distance .DELTA. A compressor near arrangement of the first node shortens the distance of the hot recirculated exhaust gas from the point of introduction into the intake system to the at least one compressor impeller, so that the time in which condensate droplets can form in the free charge air flow is reduced. A formation of condensate droplets is counteracted.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.5Dv, wobei DV den Durchmesser des mindestens einen Verdichterlaufrades angibt. Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen für den Abstand Δ gilt: Δ ≤ 1.0DV, vorzugsweise Δ ≤ 0.75DV.In this context, embodiments are advantageous in which for the distance Δ applies: Δ ≦ 1.5Dv, wherein D V indicates the diameter of the at least one compressor impeller. According to advantageous embodiments, which applies to the distance Δ: Δ ≤ 1.0D V, preferably 0.75D Δ ≤ V.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen mindestens zwei Abgasturbolader vorgesehen sind.Embodiments of the internal combustion engine in which at least two exhaust-gas turbochargers are provided are advantageous.
Häufig bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung Schwierigkeiten, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Es wird aber häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.Often, the design of the turbocharger turbocharger is difficult, with basically a noticeable increase in performance in all speed ranges is sought. But it is often observed a strong torque drop when falling below a certain speed.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Folglich nimmt das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls ab. Dies ist gleichbedeutend mit einem Ladedruckabfall bzw. Drehmomentabfall.This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. Consequently, the boost pressure ratio also decreases toward lower speeds. This is equivalent to a boost pressure drop or torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann auch durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d.h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge sukzessive Turbinen zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may also be represented by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. be improved by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with successive turbines are switched on with increasing exhaust gas; similar to a register charge.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen. The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the compressor map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams as well as towards larger compressor streams.
Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer bzw. elektrischer Lader vorgesehen werden.In addition to an exhaust gas turbocharger, in principle a mechanical or electrical supercharger can also be provided.
Die zweite der Erfindung zugrundeliegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Phasenwechselmaterial aktiviert wird, um im Rahmen eines Phasenüberganges zwecks Erwärmung des Ansaugsystems Wärme abzugeben und einem Ausscheiden von Kondensat entgegen zu wirken; vorzugsweise falls Abgas via Rückführleitung zurückgeführt wird.The second sub-task underlying the invention, namely to show a method for operating a supercharged internal combustion engine of a type described above, is achieved by a method which is characterized in that the phase change material is activated to release heat in the context of a phase transition for heating the intake system and to counteract a precipitation of condensate; preferably if exhaust gas is returned via the return line.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why at this point in general reference is made to the statements made above with regard to the supercharged internal combustion engine. The various internal combustion engines sometimes require different process variants.
Vorteilhaft können Verfahrensvarianten sein, bei denen das Phasenwechselmaterial vor oder während eines Kaltstarts aktiviert wird, beispielsweise mittels Zündschlüssel.Advantageous process variants may be in which the phase change material is activated before or during a cold start, for example by means of ignition key.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Phasenwechselmaterial mittels komprimierter Ladeluft indirekt erwärmt und regeneriert wird.Advantageous are process variants in which the phase change material is indirectly heated and regenerated by means of compressed charge air.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Phasenwechselmaterial mittels heißem Abgas erwärmt und regeneriert wird.Advantageous are process variants in which the phase change material is heated and regenerated by means of hot exhaust gas.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen das Phasenwechselmaterial mittels erwärmter Kühlflüssigkeit oder heißem Öl erwärmt und regeneriert wird.Advantageous are process variants in which the phase change material is heated and regenerated by means of heated cooling liquid or hot oil.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und gemäß den
-
1a schematisch ein Fragment des Ansaugsystems einer ersten Ausführungsform der Brennkraftmaschine mitsamt Abgasrückführleitung, teilweise geschnitten, und -
1b schematisch das in der1a dargestellte Ansaugsystem im Querschnitt entlang des in1a gekennzeichneten SchnittesA-A .
-
1a schematically a fragment of the intake system of a first embodiment of the internal combustion engine together with exhaust gas recirculation line, partially cut, and -
1b schematically in the1a illustrated intake system in cross section along the in1a marked sectionAA ,
Zum Zuführen der Ladeluft zu den Zylindern verfügt die Brennkraftmaschine über ein Ansaugsystem
Der Eintrittsbereich
Die Brennkraftmaschine ist des Weiteren mit einer Abgasrückführung
Zur Einstellung der rückgeführten Abgasmenge dient ein Absperrelement
Das Ansaugsystem
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Ansaugsystemintake system
- 22
- Verdichter des AbgasturboladersCompressor of the exhaust gas turbocharger
- 2a2a
- Eintrittsbereich des VerdichtersEntry area of the compressor
- 33
- Hohlraumcavity
- 44
- PhasenwechselmaterialPhase change material
- 55
- AbgasrückführungExhaust gas recirculation
- 5a5a
- RückführleitungReturn line
- 5b5b
- Absperrelement der Abgasrückführung, AGR-Ventil, kombiniertes VentilExhaust gas recirculation shut-off element, EGR valve, combined valve
- 5c5c
- erster Knotenpunkt first node
- AGRAGR
- AbgasrückführungExhaust gas recirculation
- mAGR m AGR
- Masse an zurückgeführtem AbgasMass of recirculated exhaust gas
- mFrischluft Fresh air
- Masse an zugeführter Frischluft bzw. LadeluftMass of supplied fresh air or charge air
- xAGR x AGR
- AbgasrückführrateExhaust gas recirculation rate
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-
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