DE102019003576A1 - Method for operating an internal combustion engine for a motor vehicle and an internal combustion engine for a motor vehicle - Google Patents

Method for operating an internal combustion engine for a motor vehicle and an internal combustion engine for a motor vehicle Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, bei welchem eine Turbine (22) eines Abgasturboladers (20) der Verbrennungskraftmaschine durch einen von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten sowie in einem Abgaskanal (30) der Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom (32) angetrieben wird, um einen mit der Turbine gekoppelten Verdichter (24) des Abgasturboladers anzutreiben und dadurch wenigstens einem Brennraum (12) der Verbrennungskraftmaschine über einen Ansaugkanal (40) der Verbrennungskraftmaschine einen mittels des Verdichters auf einen vorbestimmten Verdichtungszustand komprimierten Medienstrom (42) zuzuführen. Zusätzlich zu dem Verdichter wird auch eine elektrische Maschine durch die Turbine angetrieben, um elektrische Leistung zu generieren und zumindest stromab der Turbine wird ein Niederdruck-Teilstrom (34) des Abgasstroms aus dem Abgaskanal ausgeleitet und in den Ansaugkanal eingeleitet, um den Niederdruck-Teilstrom als Medienstromanteil des Medienstroms durch den Verdichter zu verdichten und den Medienstrom dem wenigstens einen Brennraum zuzuführen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine (10) for a motor vehicle, in which a turbine (22) of an exhaust gas turbocharger (20) of the internal combustion engine is driven by an exhaust gas flow (32) generated by the internal combustion engine and guided in an exhaust gas duct (30) of the internal combustion engine. is driven in order to drive a compressor (24) of the exhaust gas turbocharger coupled to the turbine and thereby to supply at least one combustion chamber (12) of the internal combustion engine via an intake duct (40) of the internal combustion engine with a media flow (42) compressed to a predetermined compression state by means of the compressor. In addition to the compressor, an electric machine is also driven by the turbine in order to generate electrical power and at least downstream of the turbine, a low-pressure partial flow (34) of the exhaust gas flow is diverted from the exhaust gas duct and introduced into the intake duct to use the low-pressure partial flow as a To compress the media flow portion of the media flow by the compressor and to feed the media flow to the at least one combustion chamber. Another aspect of the invention relates to an internal combustion engine (10) for a motor vehicle.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine for a motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1. Another aspect of the invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle.

Zur Verringerung von Stickoxidemissionen erfolgt bei modernen Verbrennungskraftmaschinen eine sogenannte Abgasrückführung, kurz AGR, bei welcher ein Teil eines Abgasstroms aus einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine entnommen, in einen Ansaugkanal der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet und zusammen mit Frischluft jeweiligen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Besonders hohe Abgasrückführraten, kurz AGR-Raten, sind durch die sogenannte Hochdruck-AGR erzielbar, bei welcher der Teil des Abgasstroms stromauf einer Turbine eines Abgasturboladers aus dem Abgastrakt entnommen und dem Ansaugkanal zugeführt wird. Darüber hinaus ist es bekannt, anhand der Turbine einen elektrischen Generator anzutreiben, um dadurch aus mechanischer Leistung, welche mittels der Turbine erzeugt wird, elektrische Leistung zu generieren.To reduce nitrogen oxide emissions, so-called exhaust gas recirculation, or EGR for short, takes place in modern internal combustion engines, in which part of an exhaust gas flow is taken from an exhaust tract of the internal combustion engine, introduced into an intake duct of the internal combustion engine and fed to the respective combustion chambers of the internal combustion engine together with fresh air. Particularly high exhaust gas recirculation rates, or EGR rates for short, can be achieved with what is known as high pressure EGR, in which the part of the exhaust gas flow is taken from the exhaust gas tract upstream of a turbine of an exhaust gas turbocharger and fed to the intake duct. In addition, it is known to use the turbine to drive an electrical generator in order to thereby generate electrical power from mechanical power which is generated by means of the turbine.

So beschreibt beispielsweise die DE 10 2012 004 394 A1 ein Verfahren, bei welchem eine elektrische Maschine einer Abtriebswelle zugeordnet ist, wobei eine andere elektrische Maschine einem Abgasturbolader zugeordnet ist und elektrisch mit der ersteren elektrischen Maschine verbunden ist. Die Antriebsvorrichtung wird wahlweise in verschiedenen Betriebsmodi betrieben, wobei der Verbrennungsmotor die erstere elektrische Maschine im Generatorbetrieb durch die Abtriebswelle antreibt und der Abgasturbolader die letztere elektrische Maschine in ihrem Generatorbetrieb antreibt. For example, the DE 10 2012 004 394 A1 a method in which an electric machine is assigned to an output shaft, another electric machine being assigned to an exhaust gas turbocharger and electrically connected to the first electric machine. The drive device is optionally operated in different operating modes, the internal combustion engine driving the former electrical machine in generator mode through the output shaft and the exhaust gas turbocharger driving the latter electrical machine in its generator mode.

Aus der DE 10 2016 208 208 A1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer Ladeluftzufuhr und einer Abgasabfuhr bekannt, bei dem die Ladeluftzufuhr eine Ansaugstrecke und eine Saugrohrstrecke umfasst, die über einen Verdichter miteinander verbunden sind, die Abgasabfuhr eine Hochdruckstrecke und eine Niederdruckstrecke umfasst, die über eine Turbine miteinander verbunden sind, die Abgasabfuhr über wenigstens eine Abgasrückführungsleitung mit der Ladeluftzufuhr verbunden ist, wobei in einer ersten Abgasrückführungsleitung, welche die Niederdruckstrecke mit der Ladeluftzufuhr verbindet, eine erste Kraftstoffzufuhr angeordnet ist, über die Kraftstoff in einen ersten Abgasteilstrom zuführbar ist, der über die erste Abgasrückführungsleitung einem Ladeluftstrom zuführbar ist.From the DE 10 2016 208 208 A1 an internal combustion engine with a charge air supply and an exhaust gas discharge is known, in which the charge air supply comprises an intake section and an intake pipe section, which are connected to one another via a compressor, the exhaust gas discharge includes a high-pressure section and a low-pressure section, which are connected to one another via a turbine, the exhaust gas discharge via At least one exhaust gas recirculation line is connected to the charge air supply, a first fuel supply being arranged in a first exhaust gas recirculation line, which connects the low-pressure section to the charge air supply, via which fuel can be fed into a first partial exhaust gas flow, which can be supplied to a charge air flow via the first exhaust gas recirculation line.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit besonders hohem Wirkungsgrad zu schaffen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, welche mit besonders hohem Wirkungsgrad betreibbar ist.The object of the present invention is to create a method for operating an internal combustion engine with a particularly high degree of efficiency. Another object of the present invention is to provide an internal combustion engine which can be operated with a particularly high degree of efficiency.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.These objects are achieved by a method with the features of patent claim 1 and by an internal combustion engine with the features of patent claim 5. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the remaining claims.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, bei welchem eine Turbine eines Abgasturboladers der Verbrennungskraftmaschine durch einen von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten sowie in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine geführten Abgasstrom angetrieben wird, um einen mit der Turbine gekoppelten Verdichter des Abgasturboladers anzutreiben und dadurch wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine über einen Ansaugkanal der Verbrennungskraftmaschine einen mittels des Verdichters auf einen vorbestimmten Verdichtungszustand komprimierten Medienstrom zuzuführen.A first aspect of the invention relates to a method for operating an internal combustion engine for a motor vehicle, in which a turbine of an exhaust gas turbocharger of the internal combustion engine is driven by an exhaust gas flow generated by the internal combustion engine and guided in an exhaust gas duct of the internal combustion engine, to a compressor of the exhaust gas turbocharger coupled to the turbine to drive and thereby at least one combustion chamber of the internal combustion engine via an intake duct of the internal combustion engine to supply a media flow compressed to a predetermined compression state by means of the compressor.

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem Verdichter auch eine elektrische Maschine durch die Turbine angetrieben wird, um elektrische Leistung zu generieren und zumindest stromab der Turbine ein Niederdruck-Teilstrom des Abgasstroms aus dem Abgaskanal ausgeleitet und in den Ansaugkanal eingeleitet wird, um den Niederdruck-Teilstrom als Medienstromanteil des Medienstroms durch den Verdichter zu verdichten und den Medienstrom dem wenigstens einen Brennraum zuzuführen. Der Medienstrom kann somit den Niederdruck-Teilstrom umfassen, sodass der Medienstrom beispielsweise ein Abgas-Luft-Gemisch sein kann. Die elektrische Maschine kann dem Abgasturbolader zugeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Abgasturbolader die elektrische Maschine umfassen und damit als elektrischer Abgasturbolader, welche auch als eATL abgekürzt werden kann, ausgebildet sein.According to the invention it is provided that, in addition to the compressor, an electric machine is also driven by the turbine in order to generate electrical power and, at least downstream of the turbine, a low-pressure partial flow of the exhaust gas flow is diverted from the exhaust gas duct and introduced into the intake duct to To compress the low-pressure partial flow as a media flow component of the media flow through the compressor and to feed the media flow to the at least one combustion chamber. The media flow can thus include the low-pressure partial flow so that the media flow can be, for example, an exhaust gas / air mixture. The electrical machine can be assigned to the exhaust gas turbocharger. In other words, the exhaust gas turbocharger can include the electrical machine and can thus be designed as an electrical exhaust gas turbocharger, which can also be abbreviated as eATL.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass der Niederdruck-Teilstrom des Abgasstroms zum Antreiben der Turbine genutzt wird, und erst anschließend stromab der Turbine aus dem Abgaskanal ausgeleitet und in den Ansaugkanal eingeleitet wird, wodurch der Niederdruck-Teilstrom als Teil des Abgasstroms genutzt werden kann, um mittels der Turbine einerseits den Verdichter und andererseits die elektrische Maschine anzutreiben. Über den durch die Turbine angetriebenen Verdichter kann der Medienstrom auf den vorbestimmten Verdichtungszustand komprimiert und gleichzeitig über die durch die Turbine angetriebene elektrische Maschine elektrische Leistung generiert werden. Anhand der Turbine kann mit anderen Worten zumindest ein Teil einer Enthalpie des Niederdruck-Teilstroms genutzt werden, um die elektrische Leistung zu generieren. Im Abgasstrom und damit auch im Niederdruck-Teilstrom enthaltene Energie kann verwendet werden, um die elektrische Leistung zu generieren und dadurch nutzbar zu machen, wodurch die Verbrennungskraftmaschine mit besonders großem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Abgasstrom beim Antreiben der Turbine entspannt und abkühlt wird, wodurch der Niederdruck-Teilstrom eine geringere Abgastemperatur aufweist, als dies beispielsweise bei einer Hochdruck-Abgasrückführung der Fall wäre. Aufgrund dieser geringeren Abgastemperatur reicht bereits eine geringe Kühlleistung, bzw. ein besonders klein dimensionierter Niederdruck-AGR-Kühler aus, um den Niederdruck-Teilstrom auf einen vorbestimmten Abgastemperaturwert abzukühlen.A significant advantage of the method is that the low-pressure partial flow of the exhaust gas flow is used to drive the turbine and is only then discharged from the exhaust gas duct downstream of the turbine and introduced into the intake duct, whereby the low-pressure partial flow is used as part of the exhaust gas flow can to drive the compressor on the one hand and the electrical machine on the other hand by means of the turbine. Via the compressor driven by the turbine, the media flow can be compressed to the predetermined compression state and, at the same time, electrical power can be generated via the electrical machine driven by the turbine. In other words, using the turbine, at least part of an enthalpy of the low-pressure partial flow can be used to generate the electrical power. Energy contained in the exhaust gas flow and thus also in the low-pressure partial flow can be used to generate the electrical power and thereby make it usable, whereby the internal combustion engine can be operated with a particularly high degree of efficiency. Another advantage is that the exhaust gas flow is expanded and cooled when the turbine is driven, as a result of which the low-pressure partial flow has a lower exhaust gas temperature than would be the case, for example, with high-pressure exhaust gas recirculation. Because of this lower exhaust gas temperature, even a low cooling capacity or a particularly small-sized low-pressure EGR cooler is sufficient to cool the low-pressure partial flow to a predetermined exhaust gas temperature value.

Mit anderen Worten verringert sich durch Energieabgabe vom Niederdruck-Teilstrom an die Turbine die Kühlleistung zum Kühlen des Niederdruck-Teilstroms.In other words, the output of energy from the low-pressure partial flow to the turbine reduces the cooling capacity for cooling the low-pressure partial flow.

Zusammenfassend kann die Turbine des Abgasturboladers anhand des den Niederdruck-Teilstrom umfassenden Abgasstroms derart betrieben werden, dass die Turbine mehr Leistung bereitstellt als vom Verdichter zum Komprimieren des Medienstroms auf den vorbestimmten Verdichtungszustand benötigt wird, wobei überschüssige Leistung an die elektrische Maschine abgegeben wird, um die elektrische Leistung zu generieren und damit die Verbrennungskraftmaschine bei besonders großem Wirkungsgrad zu betreiben. Die elektrische Leistung kann einem Motor-Gesamtsystem der Verbrennungskraftmaschine zugeführt und dadurch nutzbar gemacht werden. Die elektrische Leistung kann beispielsweise einem mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Elektromotor, oder einem anderen Verbraucher bzw. einer Batterie zugeführt werden.In summary, the turbine of the exhaust gas turbocharger can be operated on the basis of the exhaust gas flow comprising the low-pressure partial flow in such a way that the turbine provides more power than is required by the compressor to compress the media flow to the predetermined compression state, with excess power being output to the electrical machine in order to Generate electrical power and thus operate the internal combustion engine with particularly high efficiency. The electrical power can be supplied to an overall engine system of the internal combustion engine and thus made usable. The electrical power can, for example, be fed to an electric motor connected to a crankshaft of the internal combustion engine, or to another consumer or a battery.

Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen, mit einem Abgasturbolader, welcher eine Turbine und einen mit der Turbine gekoppelten Verdichter umfasst, mit einem Abgaskanal zum Führen eines von der Verbrennungskraftmaschine erzeugbaren Abgasstroms und mit einem Ansaugkanal, über welchen wenigstens einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine eine mittels des Verdichters auf einen vorbestimmten Verdichtungszustand komprimierbarer Medienstrom zuführbar ist. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich zu dem Verdichter auch eine elektrische Maschine mit der Turbine gekoppelt und anhand der Turbine antreibbar ist, um elektrische Leistung zu generieren, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine stromab der Turbine in den Abgaskanal mündende Abgasrückführleitung aufweist, über welche stromab der Turbine ein Niederdruck-Teilstrom des Abgasstroms aus dem Abgaskanal ausleitbar und zum Verdichten des Niederdruck-Teilstroms als Medienstromanteil des Medienstroms mittels des Verdichters in den Ansaugkanal einleitbar ist, um den Medienstrom dem wenigstens einen Brennraum zuzuführen, wobei die Verbrennungskraftmaschine eine Steuereinrichtung umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den Abgasturbolader derart anzusteuern, dass die Turbine gleichzeitig die elektrische Maschine und den Verdichter antreibt um beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine einerseits anhand der elektrischen Maschine elektrische Leistung zu generieren und andererseits anhand des Verdichters den Medienstrom auf den vorbestimmten Verdichtungszustand zu komprimieren. Die Verbrennungskraftmaschine kann zur Durchführung eines Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung herangezogen werden. Dementsprechend kann die Verbrennungskraftmaschine mit besonders großem Wirkungsgrad betrieben werden.A second aspect of the invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle, with an exhaust gas turbocharger, which comprises a turbine and a compressor coupled to the turbine, with an exhaust gas duct for guiding an exhaust gas flow that can be generated by the internal combustion engine, and with an intake duct via which at least one combustion chamber of the Internal combustion engine can be supplied with a media flow that can be compressed to a predetermined compression state by means of the compressor. According to the invention it is provided that, in addition to the compressor, an electric machine is also coupled to the turbine and can be driven using the turbine in order to generate electrical power, the internal combustion engine having an exhaust gas recirculation line opening into the exhaust gas duct downstream of the turbine, via which the Turbine, a low-pressure partial flow of the exhaust gas flow can be diverted from the exhaust gas duct and, for compressing the low-pressure partial flow as a media flow component of the media flow, can be introduced into the intake duct by means of the compressor in order to supply the media flow to the at least one combustion chamber, the internal combustion engine comprising a control device which is set up for this purpose is to control the exhaust gas turbocharger in such a way that the turbine simultaneously drives the electrical machine and the compressor in order to generate electrical power on the one hand using the electrical machine and on the other hand during operation of the internal combustion engine and the compressor to compress the media flow to the predetermined compression state. The internal combustion engine can be used to carry out a method according to the first aspect of the invention. The internal combustion engine can accordingly be operated with a particularly high degree of efficiency.

Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgestellten Merkmale sowie deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung und umgekehrt.The features presented in connection with the method according to the invention according to the first aspect of the invention and their advantages apply accordingly to the internal combustion engine according to the invention according to the second aspect of the invention and vice versa.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and on the basis of the drawing (s). The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without the scope of the Invention to leave.

Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Verbrennungskraftmaschine, welche einen elektrischen Abgasturbolader (eATL) umfasst und welche bei Niederdruck-Abgasrückführung sowie bei Hochdruck-Abgasrückführung betrieben werden kann; und
  • 2 eine weitere schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine, deren Betrieb bei Niederdruck-Abgasrückführung durch Abgasentnahme stromab einer Abgasnachbehandlung erfolgt.
Show:
  • 1 a schematic representation of an internal combustion engine which comprises an electric exhaust gas turbocharger (eATL) and which can be operated with low pressure exhaust gas recirculation and with high pressure exhaust gas recirculation; and
  • 2 Another schematic representation of the internal combustion engine, the operation of which takes place with low-pressure exhaust gas recirculation through exhaust gas extraction downstream of an exhaust gas treatment.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical and functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.

1 und 2 zeigen jeweils in schematischer Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen vorliegend nicht weiter gezeigten Kraftwagen. 1 and 2 each show a schematic representation of an internal combustion engine 10 for a motor vehicle not shown further here.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst eine Mehrzahl an Zylindern mit jeweiligen Brennräumen 12 sowie einen Ansaugkanal 40, über welchen den Zylindern bzw. den Brennräumen 12 ein Medienstrom 42 in Form eines Luft-Abgas-Gemisches zur stickoxidarmen Verbrennung von in die Brennräume 12 eingespritztem Kraftstoff zugeführt werden kann. Über einen Abgaskanal 30 der Verbrennungskraftmaschine 10 kann ein durch Verbrennung des Kraftstoffs entstehender Abgasstrom 32 aus den Brennräumen 12 ausgeleitet werden. Der Abgaskanal 30 dient also zum Führen des von der Verbrennungskraftmaschine 10 erzeugten Abgasstroms 32. Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst zudem eine Steuereinrichtung 14, welche als Motorsteuergerät ausgebildet ist.The internal combustion engine 10 comprises a plurality of cylinders with respective combustion chambers 12 as well as an intake duct 40 over which the cylinders or the combustion chambers 12 a media stream 42 in the form of an air / exhaust gas mixture for low-nitrogen oxide combustion in the combustion chambers 12 injected fuel can be supplied. Via an exhaust duct 30th the internal combustion engine 10 an exhaust gas flow resulting from the combustion of the fuel 32 from the combustion chambers 12 be diverted. The exhaust duct 30th is therefore used to guide the internal combustion engine 10 generated exhaust gas flow 32 . The internal combustion engine 10 also includes a control device 14th , which is designed as an engine control unit.

Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine 10 einen Abgasturbolader 20, welcher eine mit dem Abgaskanal 30 gekoppelte Turbine 22 und einen mit der Turbine 22 gekoppelten Verdichter 24 umfasst. Der Abgasstrom 32 weist stromauf der Turbine 22, also vor Eintritt in die Turbine 22 eine Abgastemperatur T3 auf, welche größer ist, als eine weitere Abgastemperatur T4 stromab der Turbine 22, also nach Austritt des Abgasstroms 32 aus der Turbine 22. Die Abgastemperaturen T3, T4 sind ebenfalls in 1 und in 2 gezeigt.It also includes the internal combustion engine 10 an exhaust gas turbocharger 20th , which one with the exhaust duct 30th coupled turbine 22nd and one with the turbine 22nd coupled compressor 24 includes. The exhaust gas flow 32 points upstream of the turbine 22nd , i.e. before entering the turbine 22nd an exhaust temperature T3 which is greater than a further exhaust gas temperature T4 downstream of the turbine 22nd , i.e. after the exhaust gas flow leaves 32 from the turbine 22nd . The exhaust gas temperatures T3 , T4 are also in 1 and in 2 shown.

Die Turbine 22 kann als Mono-Scroll-Turbine, als Twin-Scroll-Turbine, als einstufige Segmentturbine, als mehrstufige Segmentturbine oder als Turbine mit variabler Turbinengeometrie ausgebildet sein, um dadurch eine möglichst bedarfsgerechte Nutzung von Abgasenergie zu ermöglichen.The turbine 22nd can be designed as a mono-scroll turbine, as a twin-scroll turbine, as a single-stage segment turbine, as a multi-stage segment turbine or as a turbine with variable turbine geometry in order to enable the most needs-based use of exhaust gas energy.

Die Turbine 22 wird beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 durch den Abgasstrom 32 angetrieben. Der Verdichter 24 wird wiederum durch die Turbine 22 angetriebenen. Der Verdichter 24 komprimiert den Medienstrom 42 auf einen vorbestimmten Verdichtungszustand und fördert den Medienstrom 42 über den Ansaugkanal 40 in Richtung der jeweiligen Brennräume 12. Vor dem Eintritt des Medienstroms 42 in die jeweiligen Brennräume 12 wird der Medienstrom 42 anhand eines in den Ansaugkanal 40 integrierten Ladeluftkühlers 66 abgekühlt, sodass der Medienstrom 42 vor dem Eintritt in die jeweiligen Brennräume 12 eine in 1 und in 2 gezeigte Lufteintrittstemperatur T2S aufweist.The turbine 22nd is when the internal combustion engine is operating 10 through the exhaust gas flow 32 driven. The compressor 24 is in turn by the turbine 22nd powered. The compressor 24 compresses the media stream 42 to a predetermined compression state and promotes the media flow 42 via the intake duct 40 towards the respective combustion chambers 12 . Before the entry of the media flow 42 into the respective combustion chambers 12 becomes the media flow 42 using one in the intake duct 40 integrated charge air cooler 66 cooled so that the media flow 42 before entering the respective combustion chambers 12 one in 1 and in 2 shown air inlet temperature T2S having.

Zusätzlich zu dem Verdichter 24 ist vorliegend auch eine elektrische Maschine 26 mit der Turbine 22 gekoppelt. Die elektrische Maschine 26 kann in den Abgasturbolader 20 integriert sein, sodass der Abgasturbolader 20 als sogenannter elektrischer Abgasturbolader, kurz eATL, ausgebildet sein kann. Die elektrische Maschine 26 ist vorliegend als Motorgenerator ausgebildet und kann dementsprechend - je nach Bedarf - als Motor und als Generator betrieben werden. Beim Betrieb als Motor kann die elektrische Maschine 26 den Verdichter 24 antreiben, um beispielsweise sogenannte „Turbolöcher“ zu vermeiden oder zumindest zu vermindern. Beim Betrieb als Generator kann die elektrische Maschine 26 durch die Turbine 22 angetrieben werden um anhand der elektrischen Maschine 26 elektrische Leistung Pel zu generieren.In addition to the compressor 24 is also an electrical machine in the present case 26th with the turbine 22nd coupled. The electric machine 26th can in the exhaust gas turbocharger 20th be integrated so that the exhaust gas turbocharger 20th can be designed as a so-called electric exhaust gas turbocharger, eATL for short. The electric machine 26th is in the present case designed as a motor generator and can accordingly - depending on requirements - be operated as a motor and a generator. When operated as a motor, the electrical machine 26th the compressor 24 drive, for example to avoid or at least reduce so-called "turbo holes". When operated as a generator, the electric machine 26th through the turbine 22nd be driven around using the electric machine 26th electrical power P el to generate.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist zur Niederdruck-Abgasrückführung eine stromab der Turbine 22 in den Abgaskanal 30 mündende Abgasrückführleitung 33 auf, über welche stromab der Turbine 22 ein Niederdruck-Teilstrom 34 des Abgasstroms 32 aus dem Abgaskanal 30 ausgeleitet und zum Verdichten des Niederdruck-Teilstroms 34 mittels des Verdichters 24 als Medienstromanteil des Medienstroms 42 in den Ansaugkanal 40 eingeleitet wird, um den verdichteten Medienstrom 42 den Brennräumen 12 zuzuführen. Stromab eine Koppelstelle, an welcher die Abgasrückführleitung 33 in den Abgaskanal 30 mündet, weist der Abgasstrom 32 (aus welchem zuvor der Niederdruck-Teilstrom 34 über die Abgasrückführleitung 33 abgeführt wurde) eine Abgastemperatur T5 auf, welche kleiner als die Abgastemperaturen T3, T4 ist. Die Abgastemperatur T5 ist vorliegend lediglich in 1 gezeigt.The internal combustion engine 10 has a downstream of the turbine for low-pressure exhaust gas recirculation 22nd in the exhaust duct 30th opening exhaust gas recirculation line 33 on what is downstream of the turbine 22nd a low pressure partial flow 34 of the exhaust gas flow 32 from the exhaust duct 30th diverted and for compressing the low-pressure partial flow 34 by means of the compressor 24 as media flow component of the media flow 42 in the intake duct 40 is introduced to the compressed media flow 42 the combustion chambers 12 feed. Downstream a coupling point at which the exhaust gas recirculation line 33 in the exhaust duct 30th opens, the exhaust gas flow 32 (from which previously the low-pressure partial flow 34 via the exhaust gas recirculation line 33 was removed) an exhaust gas temperature T5 which is lower than the exhaust gas temperatures T3 , T4 is. The exhaust temperature T5 is present only in 1 shown.

Die Steuereinrichtung 14 ist dazu eingerichtet, den Abgasturbolader 20 derart anzusteuern, dass die Turbine 22 gleichzeitig die elektrische Maschine 26 und den Verdichter 24 antreibt um beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 einerseits anhand der elektrischen Maschine 26 elektrische Leistung zu generieren und andererseits anhand des Verdichters 24 den Medienstrom 42 auf den vorbestimmten Verdichtungszustand zu komprimieren. Anhand der Steuereinrichtung 14 kann die elektrische Maschine 26 auch derart angesteuert werden, dass die elektrische Maschine 26 bei Bedarf als Elektromotor arbeitet, um den Verdichter 24 anzutreiben.The control device 14th is set up to do this, the exhaust gas turbocharger 20th to be controlled in such a way that the turbine 22nd at the same time the electric machine 26th and the compressor 24 drives to the operation of the internal combustion engine 10 on the one hand using the electric machine 26th to generate electrical power and on the other hand using the compressor 24 the media flow 42 to compress to the predetermined compression state. Using the control device 14th can the electric machine 26th can also be controlled in such a way that the electrical machine 26th if necessary as an electric motor works to the compressor 24 to drive.

In die Abgasrückführleitung 33 ist zudem ein Partikelfilter 60 integriert, sodass der Niederdruck-Teilstrom 34 nach dem Ausleiten aus dem Abgaskanal 30 durch den Partikelfilter 60 gereinigt, anschließend durch einen Abgaskühler 62 gekühlt und anschließend in den Ansaugkanal 40 eingeleitet wird. Der Abgaskühler 62 ist dementsprechend vorliegend als Niederdruck-AGR-Kühler ausgebildet. Die Kühlung des Niederdruck-Teilstroms 34 mittels des Abgaskühlers 62 trägt zur Wirkungsgradsteigerung sowie zur Verringerung von Stickoxidemissionen bei. Durch den Partikelfilter 60 kann eine sogenannte Versottung des Abgaskühlers 62, also eine Verschmutzung des Abgaskühlers 62 mit Partikeln, zumindest verzögert werden.In the exhaust gas recirculation line 33 is also a particle filter 60 integrated so that the low pressure partial flow 34 after being discharged from the exhaust duct 30th through the particle filter 60 cleaned, then through an exhaust gas cooler 62 cooled and then into the intake duct 40 is initiated. The exhaust gas cooler 62 is accordingly designed as a low-pressure EGR cooler in the present case. The cooling of the low-pressure partial flow 34 by means of the exhaust gas cooler 62 contributes to an increase in efficiency and a reduction in nitrogen oxide emissions. Through the particle filter 60 can cause sooting of the exhaust gas cooler 62 , i.e. contamination of the exhaust gas cooler 62 with particles, at least be delayed.

Wie in 1 und 2 erkennbar ist, weist die Verbrennungskraftmaschine 10 zudem eine Zusatz-Abgasrückführleitung 35 auf, über welche stromauf der Turbine 22 ein Hochdruck-Teilstrom 36 des Abgasstroms 30 aus dem Abgaskanal 30 ausgeleitet und in den Ansaugkanal 40 eingeleitet wird. In die Zusatz-Abgasrückführleitung 35 kann beispielsweise ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Ventil 72 integriert sein. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist also besonders flexibel sowohl bei Niederdruck-Abgasrückführung als auch bei Hochdruck-Abgasrückführung betreibbar, wodurch Stickoxidemissionen wirksam und flexibel verringert werden können.As in 1 and 2 can be seen, the internal combustion engine 10 also an additional exhaust gas recirculation line 35 on what upstream of the turbine 22nd a high pressure partial flow 36 of the exhaust gas flow 30th from the exhaust duct 30th diverted and into the intake duct 40 is initiated. In the additional exhaust gas recirculation line 35 can, for example, be a valve designed as a 2/2-way valve 72 be integrated. The internal combustion engine 10 can therefore be operated particularly flexibly both with low-pressure exhaust gas recirculation and with high-pressure exhaust gas recirculation, whereby nitrogen oxide emissions can be effectively and flexibly reduced.

Der Hochdruck-Teilstrom 36 wird nach dem Ausleiten aus dem Abgaskanal 30 durch einen Zusatz-Abgaskühler 64 gekühlt und anschließend in den Ansaugkanal 40 eingeleitet. Der Zusatz-Abgaskühler 64 ist vorliegend dementsprechend als Hochdruck-AGR-Kühler ausgebildet. Die Kühlung des Hochdruck-Teilstroms 36 durch den Zusatz-Abgaskühler 64 trägt - ebenso wie die Kühlung des Niederdruck-Teilstroms 34 mittels des Abgaskühlers 62 - zur Wirkungsgradsteigerung sowie zur Verringerung der Stickoxidemissionen bei.The high pressure partial flow 36 becomes after being discharged from the exhaust duct 30th through an additional exhaust gas cooler 64 cooled and then into the intake duct 40 initiated. The additional exhaust gas cooler 64 is in the present case accordingly designed as a high-pressure EGR cooler. The cooling of the high-pressure partial flow 36 through the additional exhaust gas cooler 64 carries - just like the cooling of the low-pressure partial flow 34 by means of the exhaust gas cooler 62 - to increase efficiency and to reduce nitrogen oxide emissions.

Während in 1 lediglich der Partikelfilter 60 zur Abgasnachbehandlung in die Abgasrückführleitung 33 integriert ist und die Niederdruck-Abgasrückführung motornah erfolgt, ist dem Abgaskühler 62 in 2 ein Abgasnachbehandlungssystem 61 vorgeschaltet, welches den Partikelfilter 60 umfassen kann. Das Abgasnachbehandlungssystem 61 kann einen oder mehrere Katalysatoren, beispielsweise einen Oxidationskatalysator und zusätzlich oder alternativ einen Stickoxid-Speicherkatalysator, umfassen.While in 1 only the particle filter 60 for exhaust gas aftertreatment in the exhaust gas recirculation line 33 is integrated and the low-pressure exhaust gas recirculation takes place close to the engine, is the exhaust gas cooler 62 in 2 an exhaust aftertreatment system 61 upstream, which is the particle filter 60 may include. The exhaust aftertreatment system 61 can comprise one or more catalytic converters, for example an oxidation catalytic converter and additionally or alternatively a nitrogen oxide storage catalytic converter.

Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 kann die Niederdruck-Abgasrückführung und zusätzlich oder alternativ die Hochdruck-Abgasrückführung bedarfsgerecht erfolgen. Mit anderen Worten kann die Verbrennungskraftmaschine 10 also bei einer Mehrwege-AGR (Mehrwege-Abgasrückführung, bei welcher die Hochdruck-Abgasrückführung und die Niederdruck-Abgasrückführung abwechselnd oder gleichzeitig eingesetzt werden können) betrieben werden. Somit kann der Niederdruck-Teilstrom 34 nach (stromab) der Turbine 22 des Abgasturboladers 20 und zusätzlich oder alternativ der Hochdruck-Teilstrom 36 vor (stromauf) der Turbine 22 entnommen werden.When operating the internal combustion engine 10 the low-pressure exhaust gas recirculation and additionally or alternatively the high-pressure exhaust gas recirculation can take place as required. In other words, the internal combustion engine can 10 that is, with a multi-way EGR (multi-way exhaust gas recirculation, in which the high pressure exhaust gas recirculation and the low pressure exhaust gas recirculation can be used alternately or simultaneously). Thus, the low-pressure partial flow 34 after (downstream) the turbine 22nd of the exhaust gas turbocharger 20th and additionally or alternatively the high-pressure partial flow 36 in front of (upstream) the turbine 22nd can be removed.

Die Turbine 22 kann bewusst klein ausgelegt werden, wobei bei höheren Drehzahlen der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine 10 und dementsprechend großem Volumenstrom des Abgasstroms 32 ein Umleiten eines Abgasteilstroms des Abgasstroms 32 über einen Bypass 75 und damit vorbei an der Turbine 22 erfolgen kann.The turbine 22nd can deliberately be designed to be small, with the crankshaft of the internal combustion engine at higher speeds 10 and a correspondingly large volume flow of the exhaust gas flow 32 diverting a partial exhaust gas flow of the exhaust gas flow 32 via a bypass 75 and thus past the turbine 22nd can be done.

In den Bypass 75 kann ein Ventil 74 integriert sein, welches als sogenanntes Wastegate-Ventil ausgebildet sein und mittels der Steuereinrichtung 14 angesteuert werden kann. Durch Ansteuern des Ventils 74 kann dementsprechend eine Ladedruck-Regelung erfolgen um zu vermeiden, dass die Turbine 22 mit zu großem Volumenstrom beaufschlagt wird.In the bypass 75 can be a valve 74 be integrated, which can be designed as a so-called wastegate valve and by means of the control device 14th can be controlled. By controlling the valve 74 Accordingly, a boost pressure control can take place in order to avoid that the turbine 22nd too large a volume flow is applied.

Durch den Einsatz der bewusst klein ausgelegten Turbine 22 kann insbesondere im Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 der Niederdruck-Teilstrom 34 als Teil des Abgasstroms 32 genutzt werden, um einen zusätzlichen Beitrag zur Turbinenleistung, also zur durch die Turbine 22 erzeugbaren mechanischen Leistung, zu liefern. Durch die geschickte Auslegung von Turbine 22 und Verdichter 24 ist dieser Beitrag höher, als für die anschließende Verdichtung des Niederdruck-Teilstroms 34 (dann als Teil des Medienstroms 42) benötigte Verdichtungsleistung, sodass in Summe ein Vorteil erzielt wird, durch den der Wirkungsgrad des Abgasturboladers 20 und damit der gesamten Verbrennungskraftmaschine 10 deutlich verbessert werden kann. Vor allem bei großen Volumenströmen des Niederdruck-Teilstroms 34 und dementsprechend großen AGR-Raten kann besonders viel elektrische Leistung Pel anhand der elektrischen Maschine 26 generiert und eine dementsprechend vor allem im Teillastbetrieb große Wirkungsgradverbesserung erzielt werden, zumal in der Regel im Teillastbetrieb größere AGR-Raten genutzt werden, als im Volllastbetrieb.Through the use of the deliberately small turbine 22nd can in particular in partial load operation of the internal combustion engine 10 the low pressure partial flow 34 as part of the exhaust gas flow 32 can be used to make an additional contribution to the turbine output, i.e. through the turbine 22nd mechanical power that can be generated. Thanks to the clever design of the turbine 22nd and compressor 24 this contribution is higher than for the subsequent compression of the low-pressure partial flow 34 (then as part of the media flow 42 ) required compression power, so that in total an advantage is achieved through which the efficiency of the exhaust gas turbocharger 20th and thus the entire internal combustion engine 10 can be significantly improved. Especially with large volume flows of the low-pressure partial flow 34 and accordingly large EGR rates can produce a lot of electrical power P el based on the electrical machine 26th and a correspondingly large improvement in efficiency can be achieved, especially in part-load operation, especially since higher EGR rates are generally used in part-load operation than in full-load operation.

In die Abgasrückführleitung 33 kann beispielsweise ein als 2/2-Wegeventil ausgebildetes Ventil 76 integriert sein, welches entweder - wie in 1 und 2 gezeigt - stromauf des Abgaskühlers 62 angeordnet oder auch stromab des Abgaskühlers 62 angeordnet sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein in 1 und 2 gezeigtes und als 3/2-Wegeventil ausgebildetes Ventil 78 im Abgaskanal 30 und damit im Hauptstrom angeordnet sein. Das für die Niederdruck-Abgasrückführung in Form des Niederdruck-Teilstroms 34 entnommene Abgas kann entweder direkt motornah nach dem Abgasturbolader 20 aus dem Abgaskanal 30 entnommen werden, wie in 1 gezeigt ist, oder alternativ dazu - wie in 2 gezeigt ist - nach dem oder aus dem Abgasnachbehandlungssystem 61, welches als Abgasnachbehandlungsbox ausgebildet sein kann. Bei der motornahen Entnahme wird - um einen Eintrag von Rußpartikeln und anderen schädlichen Komponenten in den Ansaugkanal 40, welche auch als Luftansaugstrecke bezeichnet werden kann, zu unterbinden - in der Abgasrückführleitung 33 optional der Partikelfilter 60 integriert. In diesem Fall ist das 2/2-Wege Ventil (Ventil 76) zur Regelung des Niederdruck-Teilstroms 34 (AGR-Massenstrom) idealerweise vor und damit stromauf des Partikelfilter 60 angebracht, um bei Regenerationsbedarf des Partikelfilters 60 auch höhere Temperaturen erzielen zu können (Funktion wie Bremsklappe). Gegebenenfalls kann mit einer Klappe nach der Entnahmestelle das nötige Druckgefälle für einen AGR-Ratentransport erhöht werden. Diese Klappe ist auch als sogenannte „Bremsklappe“ bekannt und kann zu Zwecken der Temperaturerhöhung des Abgases (Abgasstrom 32) eingesetzt werden. Der Vorteil der motornahen Anordnung ist, dass bereits ein gewisses Druckgefälle für einen Abgastransport des Niederdruck-Teilstroms 34 durch die (in 1 nicht gezeigte) Abgasnachbehandlungsbox (Abgasnachbehandlungssystem 61) gegeben ist. Zusätzlich oder alternativ kann der Niederdruck-Teilstrom 34 nach dem Abgasnachbehandlungssystem 61 oder nach Teilkomponenten des Abgasnachbehandlungssystems 61 entnommen werden. Zur Sicherstellung des Transports des Niederdruck-Teilstroms 34 kann in diesem Falle ein als Klappe ausgebildetes Ventil 78 stromab einer Entnahmestelle des Niederdruck-Teilstroms 34 an den Abgaskanal 30 angeordnet sein. Optional kann der Turbine 22 das Ventil 74 (als Wastegate-Ventil, auch Bypass-Ventil genannt) zugeordnet sein. Dadurch können Systemeigenschaften hinsichtlich dynamischer Anforderungen oder auch zur Temperaturregelung und Leistungsregelung verändert werden.In the exhaust gas recirculation line 33 can, for example, be a valve designed as a 2/2-way valve 76 be integrated, which either - as in 1 and 2 shown - upstream of the exhaust gas cooler 62 arranged or downstream of the exhaust gas cooler 62 can be arranged. Additionally or alternatively, an in 1 and 2 shown and designed as a 3/2-way valve 78 in the exhaust duct 30th and thus be arranged in the main stream. That for the low-pressure exhaust gas recirculation in the form of the low-pressure partial flow 34 The extracted exhaust gas can either be located close to the engine after the exhaust gas turbocharger 20th from the exhaust duct 30th as in 1 is shown, or alternatively - as in 2 is shown - after or from the exhaust aftertreatment system 61 , which can be designed as an exhaust aftertreatment box. With extraction close to the engine - there is an entry of soot particles and other harmful components into the intake duct 40 , which can also be referred to as the air intake section, to be prevented - in the exhaust gas recirculation line 33 optional the particle filter 60 integrated. In this case the 2/2-way valve (valve 76 ) to control the low-pressure partial flow 34 (EGR mass flow) ideally before and thus upstream of the particle filter 60 attached to when the particulate filter needs to be regenerated 60 to be able to achieve higher temperatures (function like brake flap). If necessary, the necessary pressure gradient for an EGR rate transport can be increased with a flap after the extraction point. This flap is also known as the so-called "brake flap" and can be used to increase the temperature of the exhaust gas (exhaust gas flow 32 ) can be used. The advantage of the arrangement close to the engine is that there is already a certain pressure gradient for exhaust gas transport of the low-pressure partial flow 34 through the (in 1 exhaust aftertreatment box (not shown) (exhaust aftertreatment system 61 ) given is. Additionally or alternatively, the low-pressure partial flow 34 after the exhaust aftertreatment system 61 or according to subcomponents of the exhaust aftertreatment system 61 can be removed. To ensure the transport of the low-pressure partial flow 34 can in this case a valve designed as a flap 78 downstream of an extraction point for the low-pressure partial flow 34 to the exhaust duct 30th be arranged. Optionally, the turbine 22nd the valve 74 (as a wastegate valve, also called bypass valve). This allows system properties to be changed with regard to dynamic requirements or for temperature control and power control.

Über den Bypass 75 ist ein Bypassieren des Abgasturboladers 20, also ein zumindest teilweises Umleiten des Abgasstroms 32 unter Umgehung der Turbine 22, insbesondere im Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 10 möglich, wodurch ein schnelleres Aufheizen des Abgasnachbehandlungssystems 61 bzw. einzelner Komponenten des Abgasnachbehandlungssystems 61 ermöglicht ist. In diesem Fall kann der Verdichter 24 durch Betrieb der elektrischen Maschine 26 als Elektromotor angetrieben werden. Die elektrische Maschine 26 kann zum Antreiben des Verdichters 24 beispielsweise über eine hier nicht weiter gezeigte Batterie mit Energie versorgt werden.Via the bypass 75 is bypassing the exhaust gas turbocharger 20th , so an at least partial diversion of the exhaust gas flow 32 bypassing the turbine 22nd , especially when starting the internal combustion engine from cold 10 possible, which means that the exhaust gas aftertreatment system is heated up more quickly 61 or individual components of the exhaust aftertreatment system 61 is made possible. In this case the compressor can 24 by operating the electrical machine 26th be driven as an electric motor. The electric machine 26th can be used to drive the compressor 24 for example, be supplied with energy via a battery not shown here.

Zusammenfassend wird durch das vorliegende Verfahren der elektrische Abgasturbolader 20 bei Niederdruck-Abgasrückführung betrieben, wobei der Niederdruck-Teilstrom 34 durch dessen Entnahme stromab der Turbine 22 aus dem Abgaskanal 30 einen additiven Beitrag zur seitens der Turbine 22 abgegebenen Leistung des Abgasturboladers 20 (eATL) liefert. Durch die optimierte Auslegung der Turbine 22 liefert diese mehr Leistung als der Verdichter 24 benötigt. Diese zusätzliche Leistung wird an die elektrische Maschine 26 abgegeben, wenn letztere als Generator betrieben wird. Je höher der Volumenstrom des Niederdruck-Teilstroms 34 ist, desto höher ist auch die zusätzlich abgegebene Leistung, sowohl an den Verdichter 24, als auch an die elektrische Maschine 26. Durch die erhöhte Leistungsabgabe an die elektrische Maschine 26 kann eine erhebliche Wirkungsgradsteigerung erzielt werden.In summary, the present method makes the electric exhaust gas turbocharger 20th operated at low pressure exhaust gas recirculation, the low pressure partial flow 34 by removing it downstream of the turbine 22nd from the exhaust duct 30th an additive contribution to the turbine 22nd output power of the exhaust gas turbocharger 20th (eATL) delivers. Thanks to the optimized design of the turbine 22nd it delivers more power than the compressor 24 needed. This additional power is sent to the electrical machine 26th output when the latter is operated as a generator. The higher the volume flow of the low-pressure partial flow 34 is, the higher the additional output, both to the compressor 24 , as well as to the electrical machine 26th . Due to the increased power output to the electrical machine 26th a considerable increase in efficiency can be achieved.

Die nachfolgend beschriebenen Zusammenhänge dienen zur Ermittlung der elektrischen Leistung Pel welche durch das Verfahren mit Niederdruck-Abgasrückführung erzielt werden kann.The relationships described below are used to determine the electrical power P el which can be achieved by the process with low-pressure exhaust gas recirculation.

Für eine Enthalpiestromdifferenz ΔḢT an der Turbine gilt bei Hochdruck-Abgasrückführung ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten sowie bei Verwendung einer konventionellen Standardturbine: Δ H ˙ T = m ˙ A c p ( T 3 T 4 ) = P V e r d i c h t e r

Figure DE102019003576A1_0001
Δ H ˙ T = η A T L m ˙ A c p ( T 3 T 4 ) = P V e r d i c h t e r
Figure DE102019003576A1_0002
mit

  • A = Abgasmassenstrom des Abgasstroms 32 abzüglich des Hochdruck-Teilstroms 36;
  • cp = spezifische Wärmekapazität;
  • ηATL = Wirkungsgrad des ATL; und
  • PVerdichter = Leistung des Verdichters 24.
For an enthalpy flow difference ΔḢ T at the turbine, the following applies for high-pressure exhaust gas recirculation without taking friction losses into account and when using a conventional standard turbine: Δ H ˙ T = m ˙ A. c p ( T 3 - T 4th ) = P V e r d i c H t e r
Figure DE102019003576A1_0001
Δ H ˙ T = η A. T L. m ˙ A. c p ( T 3 - T 4th ) = P V e r d i c H t e r
Figure DE102019003576A1_0002
With
  • A = exhaust gas mass flow of the exhaust gas flow 32 minus the high-pressure partial flow 36 ;
  • c p = specific heat capacity;
  • η ATL = efficiency of the ATL; and
  • P compressor = capacity of the compressor 24 .

Durch Verwendung der gegenüber der Standardturbine kleineren Turbine 22 (wodurch die Turbine 22 mehr Leistung abgibt als der Verdichter 24 benötigt) ergibt sich: Δ H ˙ T = η A T L m ˙ A c p ( T 3 * T 4 ) = η A T L m ˙ A c p [ ( T 3 * T 3 ) + ( T 3 T 4 ) ]                     = P e l + P V e r d i c h t e r

Figure DE102019003576A1_0003
mit
T 3 *
Figure DE102019003576A1_0004
= Abgastemperatur vor der Turbine 22.By using the smaller turbine compared to the standard turbine 22nd (causing the turbine 22nd delivers more power than the compressor 24 required) results in: Δ H ˙ T = η A. T L. m ˙ A. c p ( T 3 * - T 4th ) = η A. T L. m ˙ A. c p [ ( T 3 * - T 3 ) + ( T 3 - T 4th ) ] = P e l + P V e r d i c H t e r
Figure DE102019003576A1_0003
With
T 3 *
Figure DE102019003576A1_0004
= Exhaust gas temperature upstream of the turbine 22nd .

Somit berechnet sich die elektrische Leistung Pel im Betrieb bei Hochdruck-Abgasrückführung zu P e l = η T u r b i n e m ˙ A c p ( T 3 * T 3 )

Figure DE102019003576A1_0005
Mit ηTurbine = Wirkungsgrad der TurbineThe electrical power is thus calculated P el during operation with high pressure exhaust gas recirculation P e l = η T u r b i n e m ˙ A. c p ( T 3 * - T 3 )
Figure DE102019003576A1_0005
With η turbine = efficiency of the turbine

Die zusätzliche elektrische Leistung Pel beim Betrieb mit Niederdruck-Abgasrückführung ergibt sich hingegen zu P e l = η T u r b i n e ( m ˙ A + m ˙ A G R ) c P ( T 3 * T 3 )

Figure DE102019003576A1_0006
mit
AGR = Massenstrom des Niederdruck-Teilstroms 34.The additional electrical power P el when operating with low-pressure exhaust gas recirculation, however, results in P e l = η T u r b i n e ( m ˙ A. + m ˙ A. G R. ) c P ( T 3 * - T 3 )
Figure DE102019003576A1_0006
With
EGR = mass flow of the low-pressure partial flow 34 .

Die abgegebene elektrische Leistung Pel erhöht sich - unter der Annahme gleicher Turboladerwirkungsgrade - beim Betrieb bei Niederdruck-Abgasrückführung um einen Anteil, den der Niederdruck-Teilstrom 34 bei gleichem Ladungswechselverlust liefert.The electrical power output P el increases - assuming the same turbocharger efficiencies - when operating with low-pressure exhaust gas recirculation by a proportion that is the low-pressure partial flow 34 delivers with the same gas exchange loss.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010
VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
1212
BrennraumCombustion chamber
1414th
SteuereinrichtungControl device
2020th
AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
2222nd
Turbineturbine
2424
Verdichtercompressor
2626th
elektrische Maschineelectric machine
3030th
AbgaskanalExhaust duct
3232
AbgasstromExhaust gas flow
3333
AbgasrückführleitungExhaust gas recirculation line
3434
Niederdruck-TeilstromLow pressure partial flow
3535
Zusatz-AbgasrückführleitungAdditional exhaust gas recirculation line
3636
Hochdruck-TeilstromHigh pressure partial flow
4040
AnsaugkanalIntake duct
4242
MedienstromMedia flow
6060
PartikelfilterParticle filter
6161
AbgasnachbehandlungssystemExhaust aftertreatment system
6262
AbgaskühlerExhaust gas cooler
6464
Zusatz-AbgaskühlerAdditional exhaust gas cooler
6666
LadeluftkühlerIntercooler
7272
VentilValve
7474
VentilValve
7575
Bypassbypass
7676
VentilValve
7878
Ventil der elektrischen LeistungElectric power valve
Pel P el
elektrische Leistungelectrical power
T2ST2S
EintrittstemperaturInlet temperature
T3T3
AbgastemperaturExhaust gas temperature
T4T4
AbgastemperaturExhaust gas temperature
T5T5
AbgastemperaturExhaust gas temperature

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102012004394 A1 [0003]DE 102012004394 A1 [0003]
  • DE 102016208208 A1 [0004]DE 102016208208 A1 [0004]

Claims (6)

Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, bei welchem eine Turbine (22) eines Abgasturboladers (20) der Verbrennungskraftmaschine (10) durch einen von der Verbrennungskraftmaschine (10) erzeugten sowie in einem Abgaskanal (30) der Verbrennungskraftmaschine (10) geführten Abgasstrom (32) angetrieben wird, um einen mit der Turbine (22) gekoppelten Verdichter (24) des Abgasturboladers (20) anzutreiben und dadurch wenigstens einem Brennraum (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) über einen Ansaugkanal (40) der Verbrennungskraftmaschine (10) einen mittels des Verdichters (24) auf einen vorbestimmten Verdichtungszustand komprimierten Medienstrom (42) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Verdichter (24) auch eine elektrische Maschine (26) durch die Turbine (22) angetrieben wird, um elektrische Leistung zu generieren und zumindest stromab der Turbine (22) ein Niederdruck-Teilstrom (34) des Abgasstroms (32) aus dem Abgaskanal (30) ausgeleitet und in den Ansaugkanal (40) eingeleitet wird, um den Niederdruck-Teilstrom (34) als Medienstromanteil des Medienstroms (42) durch den Verdichter (24) zu verdichten und den Medienstrom (42) dem wenigstens einen Brennraum (12) zuzuführen.A method for operating an internal combustion engine (10) for a motor vehicle, in which a turbine (22) of an exhaust gas turbocharger (20) of the internal combustion engine (10) through one generated by the internal combustion engine (10) and in an exhaust gas duct (30) of the internal combustion engine (10) guided exhaust gas flow (32) is driven in order to drive a compressor (24) of the exhaust gas turbocharger (20) coupled to the turbine (22) and thereby at least one combustion chamber (12) of the internal combustion engine (10) via an intake duct (40) of the internal combustion engine (10) ) to supply a media stream (42) compressed to a predetermined compression state by means of the compressor (24), characterized in that, in addition to the compressor (24), an electrical machine (26) is also driven by the turbine (22) in order to supply electrical power generate and at least downstream of the turbine (22) a low-pressure partial flow (34) of the exhaust gas flow (32) from the exhaust gas duct (30) is diverted and introduced into the intake duct (40) in order to compress the low-pressure partial flow (34) as a media flow component of the media flow (42) by the compressor (24) and to feed the media flow (42) to the at least one combustion chamber (12). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck-Teilstrom (34) nach dem Ausleiten aus dem Abgaskanal (30) durch einen Partikelfilter (60) gereinigt, anschließend durch einen Abgaskühler (62) gekühlt und anschließend in den Ansaugkanal (40) eingeleitet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the low-pressure partial flow (34) is cleaned by a particle filter (60) after being discharged from the exhaust gas duct (30), then cooled by an exhaust gas cooler (62) and then introduced into the intake duct (40). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Turbine (22) ein Hochdruck-Teilstrom (36) des Abgasstroms (30) aus dem Abgaskanal (30) ausgeleitet und in den Ansaugkanal (40) eingeleitet wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that upstream of the turbine (22) a high-pressure partial flow (36) of the exhaust gas flow (30) is discharged from the exhaust gas duct (30) and introduced into the intake duct (40). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck-Teilstrom (36) nach dem Ausleiten aus dem Abgaskanal (30) durch einen Zusatz-Abgaskühler (64) gekühlt und anschließend in den Ansaugkanal (40) eingeleitet wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the high-pressure partial flow (36) after being discharged from the exhaust gas duct (30) is cooled by an additional exhaust gas cooler (64) and then introduced into the intake duct (40). Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einem Abgasturbolader (20), welcher eine Turbine (22) und einen mit der Turbine (22) gekoppelten Verdichter (24) umfasst, mit einem Abgaskanal (30) zum Führen eines von der Verbrennungskraftmaschine (10) erzeugbaren Abgasstroms (32) und mit einem Ansaugkanal (40), über welchen wenigstens einem Brennraum (12) der Verbrennungskraftmaschine (10) eine mittels des Verdichters (24) auf einen vorbestimmten Verdichtungszustand komprimierbarer Medienstrom (42) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Verdichter (24) auch eine elektrische Maschine (26) mit der Turbine (22) gekoppelt und anhand der Turbine (22) antreibbar ist, um elektrische Leistung zu generieren, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) eine stromab der Turbine (22) in den Abgaskanal (30) mündende Abgasrückführleitung (33) aufweist, über welche stromab der Turbine (22) ein Niederdruck-Teilstrom (34) des Abgasstroms (32) aus dem Abgaskanal (30) ausleitbar und zum Verdichten des Niederdruck-Teilstroms (34) als Medienstromanteil des Medienstroms (42) mittels des Verdichters (24) in den Ansaugkanal (40) einleitbar ist, um den Medienstrom (42) dem wenigstens einen Brennraum (12) zuzuführen, wobei die Verbrennungskraftmaschine (10) eine Steuereinrichtung (14) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, den Abgasturbolader (20) derart anzusteuern, dass die Turbine (22) gleichzeitig die elektrische Maschine (26) und den Verdichter (24) antreibt um beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) einerseits anhand der elektrischen Maschine (26) elektrische Leistung zu generieren und andererseits anhand des Verdichters (24) den Medienstrom (42) auf den vorbestimmten Verdichtungszustand zu komprimieren.Internal combustion engine (10) for a motor vehicle, with an exhaust gas turbocharger (20) which comprises a turbine (22) and a compressor (24) coupled to the turbine (22), with an exhaust gas duct (30) for guiding one of the internal combustion engine (10) ) exhaust gas flow (32) that can be generated and with an intake duct (40), via which at least one combustion chamber (12) of the internal combustion engine (10) a media flow (42) which can be compressed to a predetermined compression state by means of the compressor (24) can be fed, characterized in that In addition to the compressor (24), an electric machine (26) is also coupled to the turbine (22) and can be driven by means of the turbine (22) in order to generate electrical power, the internal combustion engine (10) having a downstream of the turbine (22) has exhaust gas recirculation line (33) which opens into the exhaust gas duct (30) and via which a low-pressure partial flow (34) of the exhaust gas flow (32) discharges from the exhaust gas duct (30) downstream of the turbine (22) tbar and for compressing the low-pressure partial flow (34) can be introduced into the intake duct (40) as a media flow component of the media flow (42) by means of the compressor (24) in order to feed the media flow (42) to the at least one combustion chamber (12), the Internal combustion engine (10) comprises a control device (14) which is set up to control the exhaust gas turbocharger (20) in such a way that the turbine (22) simultaneously drives the electrical machine (26) and the compressor (24) to enable the internal combustion engine ( 10) on the one hand to generate electrical power using the electric machine (26) and on the other hand to compress the media flow (42) to the predetermined compression state using the compressor (24). Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (22) als Mono-Scroll-Turbine, als Twin-Scroll-Turbine, als einstufige Segmentturbine, als mehrstufige Segmentturbine oder als Turbine mit variabler Turbinengeometrie ausgebildet ist.Internal combustion engine (10) after Claim 5 , characterized in that the turbine (22) is designed as a mono-scroll turbine, as a twin-scroll turbine, as a single-stage segment turbine, as a multi-stage segment turbine or as a turbine with variable turbine geometry.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023016792A1 (en) * 2021-08-12 2023-02-16 Mercedes-Benz Group AG Internal combustion engine for a motor vehicle

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