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 PDFInfo
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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
Aus der
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.
-
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.
Die Verbrennungskraftmaschine
Des Weiteren umfasst die Verbrennungskraftmaschine
Die Turbine
Die Turbine
Zusätzlich zu dem Verdichter
Die Verbrennungskraftmaschine
Die Steuereinrichtung
In die Abgasrückführleitung
Wie in
Der Hochdruck-Teilstrom
Während in
Beim Betrieb der Verbrennungskraftmaschine
Die Turbine
In den Bypass
Durch den Einsatz der bewusst klein ausgelegten Turbine
In die Abgasrückführleitung
Über den Bypass
Zusammenfassend wird durch das vorliegende Verfahren der elektrische Abgasturbolader
Die nachfolgend beschriebenen Zusammenhänge dienen zur Ermittlung der elektrischen Leistung
Für eine Enthalpiestromdifferenz ΔḢT an der Turbine gilt bei Hochdruck-Abgasrückführung ohne Berücksichtigung von Reibungsverlusten sowie bei Verwendung einer konventionellen Standardturbine:
- ṁA = Abgasmassenstrom des Abgasstroms
32 abzüglich des Hochdruck-Teilstroms 36 ; - cp = spezifische Wärmekapazität;
- ηATL = Wirkungsgrad des ATL; und
- PVerdichter = Leistung des
Verdichters 24 .
- ṁ A = exhaust gas mass flow of the
exhaust gas flow 32 minus the high-pressurepartial 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
Somit berechnet sich die elektrische Leistung
Die zusätzliche elektrische Leistung
ṁAGR = Massenstrom des Niederdruck-Teilstroms
ṁ EGR = mass flow of the low-pressure
Die abgegebene elektrische Leistung
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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- DE 102016208208 A1 [0004]DE 102016208208 A1 [0004]
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2019
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |