DE102019006517A1

DE102019006517A1 - Internal combustion engine with an Agasturbocharger and a charging unit and method for an internal combustion engine

Info

Publication number: DE102019006517A1
Application number: DE102019006517.4A
Authority: DE
Inventors: Peter Fledersbacher; Daniel Gohl; Pascal Mühlebach
Original assignee: Sa Charging Solutions Ag; sa-charging solutions AG
Current assignee: Sa Charging Solutions Ag; sa-charging solutions AG
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine, aufweisend einen durchströmbaren Ansaugstrang (14) und einen durchströmbaren Abgastrakt (12), und mit einem Abgasturbolader (20), wobei im Abgastrakt (12) ein durchströmbarer Abgasführungsabschnitt (22) des Abgasturboladers (20) und im Ansaugstrang (14) ein durchströmbarer Luftführungsabschnitt (24) des Abgasturboladers (20) aufgenommen sind, und wobei eine Ladeeinheit (40) stromab des Luftführungsabschnitts (24) und stromauf eines Ansaugkrümmers (18) eines Motorblocks (11) der Verbrennungskraftmaschine (10) im Ansaugstrang (14) durchströmbar aufgenommen ist, wobei die Ladeeinheit (40)einen von einer Turbine (54) angetriebenen Generator (42) aufweist, und wobei stromauf der Ladeeinheit (40) und stromab des Luftführungsabschnitts (24) ein Ladeluftkühler (36) im Ansaugstrang (14)aufgenommen ist. Erfindungsgemäß istdie Ladeeinheit (40) zur Rekuperation von im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine (10) freigesetzter Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie über eine Nutzung der Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie durch den Abgasturbolader (20) hinaus ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to an internal combustion engine, having an intake manifold (14) and an exhaust gas tract (12) through which a flow can flow, and with an exhaust gas turbocharger (20), wherein an exhaust gas guide section (22) of the exhaust gas turbocharger (20) through which flow can flow and in the intake manifold ( 14) an air duct section (24) of the exhaust gas turbocharger (20) through which a flow can flow are accommodated, and a charging unit (40) downstream of the air duct section (24) and upstream of an intake manifold (18) of an engine block (11) of the internal combustion engine (10) in the intake line (14) ) is received so that it can flow through, the charging unit (40) having a generator (42) driven by a turbine (54), and wherein upstream of the charging unit (40) and downstream of the air duct section (24) a charge air cooler (36) in the intake manifold (14) is recorded. According to the invention, the charging unit (40) is designed to recuperate the combustion heat and / or exhaust gas enthalpy released during operation of the internal combustion engine (10) via the exhaust gas turbocharger (20) using the combustion heat and / or exhaust gas enthalpy. The invention also relates to a method for an internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Ladeeinheit der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art sowie ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 13.The invention relates to an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a charging unit of the type mentioned in the preamble of claim 1 and a method for an internal combustion engine according to claim 13.

Verbrennungskraftmaschinen aufweisend einen Abgasturbolader zur Nutzung von Abgasenergie der Verbrennungskraftmaschine zur Steigerung eines Ladedruckes der Verbrennungskraftmaschine sind bekannt. Des Weiteren ist bekannt eine Ladeeinheitin einem Abgasstrakt der Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgasturbolader zu integrieren, wobei die Ladeeinheit einen Generator und eine mit dem Generator wirkverbundene Turbine aufweist. Eine Durchströmung der Turbine setzt den Generator in Betrieb, welcher daraufhin elektrische Energie erzeugen und/oder bspw. bei einem Kraftfahrzeug an Nebenaggregate wie bspw. Einspritzanlage, Steuergeräte, Batterie, abgeben kann.Internal combustion engines having an exhaust gas turbocharger for using exhaust gas energy from the internal combustion engine to increase a boost pressure of the internal combustion engine are known. It is also known to integrate a charging unit in an exhaust tract of the internal combustion engine with the exhaust gas turbocharger, the charging unit having a generator and a turbine that is operatively connected to the generator. A flow through the turbine sets the generator into operation, which can then generate electrical energy and / or, in the case of a motor vehicle, for example, can output it to ancillary units such as, for example, injection systems, control units, and batteries.

Ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis zum effizienten Betreiben eines Dreiwegekatalystors ist notwendig, damit Abgasemission der Verbrennungskraftmaschine minimiert werden. Drosselklappen, die in einem Ansaugstrang der Verbrennungskraftmaschine zur Herbeiführung eines stöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnisses angeordnet sind, erhöhen einen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine aufgrund von Drosselklappenverluste. Des Weiteren steigt ein Bedarf an elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug, welches die Verbrennungskraftmaschine aufweist, aufgrund von bspw. so genannten e-Boosters oder Start-Stop-Systeme, welche elektrisch betrieben werden.A stoichiometric combustion air ratio for efficient operation of a three-way catalytic converter is necessary so that exhaust gas emissions from the internal combustion engine are minimized. Throttle valves, which are arranged in an intake line of the internal combustion engine to bring about a stoichiometric combustion air ratio, increase fuel consumption of the internal combustion engine due to throttle valve losses. Furthermore, there is an increasing demand for electrical energy in a motor vehicle that has the internal combustion engine due to, for example, so-called e-boosters or start-stop systems, which are operated electrically.

Aus der Offenlegungsschrift EP 3 037 640 A1 geht eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Ladeeinheit hervor, wobei die Ladeeinheit stromab eines Abgasführungsabschnitts des Abgasturboladers in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Somit wird die stromab des Abgasführungsabschnitts übrig gebliebene Abgasenergie zum Betreiben eines Generators der Ladeeinheit mit Hilfe einer mit dem Generator wirkverbundenen Turbine genutzt.From the disclosure document EP 3 037 640 A1 shows an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a charging unit, the charging unit being arranged downstream of an exhaust gas routing section of the exhaust gas turbocharger in an exhaust gas tract of the internal combustion engine. The exhaust gas energy remaining downstream of the exhaust gas routing section is thus used to operate a generator of the charging unit with the aid of a turbine that is operatively connected to the generator.

Die Patentschrift US 8,967,116 B2 offenbart eine Verbrennungskraftmaschine, welche eine Ladeeinheit, umfassend einen Generator und eine mit dem Generator wirkverbundene Turbine, besitzt, die parallel zu einer in einem Ansaugstrang der Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Drosselklappe angeordnet ist. Die Ladeeinheit ist zur Nutzung von Drosselklappenverlusten vorgesehen. Ein Abgasturbolader ist der Verbrennungskraftmaschine nicht zugeordnet.The patent specification US 8,967,116 B2 discloses an internal combustion engine which has a charging unit comprising a generator and a turbine which is operatively connected to the generator and which is arranged parallel to a throttle valve formed in an intake line of the internal combustion engine. The loading unit is intended to utilize throttle valve losses. An exhaust gas turbocharger is not assigned to the internal combustion engine.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer Ladeeinheit anzugeben, welche einen reduzierten Kraftstoffbedarf aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Angabe eines Verfahrens zum kraftstoffreduzierten Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine.The object of the present invention is to specify an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a charging unit which has a reduced fuel requirement. Another object of the present invention is to provide a method for the fuel-reduced operation of an internal combustion engine.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturboladerund einer Ladeeinheit mit den Merkmalen das Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.The object is achieved according to the invention by an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and a charging unit having the features of claim 1. The further object is achieved with the features of claim 13. Advantageous refinements with expedient and non-trivial developments of the invention are specified in the respective subclaims.

Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine weist einen durchströmbaren Ansaugstrang und einen durchströmbaren Abgastrakt auf, sowie einen Abgasturbolader, wobei im Abgastrakt ein durchströmbarer Abgasführungsabschnittdes Abgasturboladers und im Ansaugstrang ein durchströmbarer Luftführungsabschnitt des Abgasturboladers aufgenommen sind. Des Weiteren ist eine Ladeeinheitstromab des Luftführungsabschnitts und stromauf eines Ansaugkrümmers eines Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine im Ansaugstrang durchströmbar aufgenommen, wobei die Ladeeinheit einen von einer Turbine angetriebenen Generator aufweist. Stromauf der Ladeeinheitund stromab des Luftführungsabschnitts ein ist Ladeluftkühler im Ansaugstrang aufgenommen. Erfindungsgemäß ist die LadeeinheitzurRekuperation von im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine freigesetzter Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie übereine Nutzung der Verbrennungswärme und/oderderAbgasenthalpie durch den Abgasturbolader hinaus ausgebildet. Der Vorteil ist, dass mit der bei einerVerbrennung entstandenen Verbrennungswärme und/oderder Abgasenthalpie der Verbrennungskraftmaschine die Ladeeinheit betrieben werden kann, wodurch eine Kraftstoffreduzierung realisierbar ist. Die Verbrennungswärme und/oder die Abgasenthalpie ist dabei nicht ausschließlich als Abgaswärme zu verstehen, sondern die Verbrennungswärme und/oderdie Abgasenthalpie umfasstim vorliegenden Kontext dabei auch an einen Motorblock der Verbrennungskraftmaschine übertragene Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie in Form von Wandwärmen, die mit Hilfe einer Kühlungseinrichtung abzuführen sind,damit der Motorblock eine bevorzugte Bauteiltemperatur aufweist. Die während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine entstehende und entstandene Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie wird mit Hilfe der Ladeeinheit der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine rekuperiert und kann der Verbrennungskraftmaschine über den mit der Turbine wirkverbundenen Generator zumindest teilweise wieder zugeführt werden, bspw. durch Unterstützen einer Lichtmaschine der Verbrennungskraftmaschine, welche für einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in einem Kraftfahrzeug bspw. mit Strom zu versorgenden Leuchtmitteln ausgebildet ist. Des Weiteren können bspw. Klimatisierungseinrichtungen des Kraftfahrzeugs mit Energie versorgt werden, die dem Generator zu entnehmen ist. Dies sind beispielhafte Energieverbraucher eines Kraftfahrzeugs, welcheeinen entsprechenden Kraftstoffbedarf der Verbrennungskraftmaschine bedingen. Sofern nun diese Energieverbraucher auf andere Weise oder unterstützend mit Energie versorgt werden können, kann der Kraftstoffbedarf der Verbrennungskraftmaschine wesentlich reduziertwerden, wie es mit der vorliegenden erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine erreichbar ist.The internal combustion engine according to the invention has a flow-through intake section and a flow-through exhaust gas tract, as well as an exhaust gas turbocharger, a flow-through exhaust gas duct section of the exhaust gas turbocharger being accommodated in the exhaust gas tract and a flow-through air supply section of the exhaust gas turbocharger being received in the intake duct. Furthermore, a charging unit is accommodated in a flow-through manner in the intake line downstream of the air guiding section and upstream of an intake manifold of an engine block of the internal combustion engine, the charging unit having a generator driven by a turbine. A charge air cooler is accommodated in the intake manifold upstream of the charging unit and downstream of the air guiding section a. According to the invention, the charging unit is designed to recuperate combustion heat and / or exhaust gas enthalpy released during operation of the internal combustion engine by utilizing the combustion heat and / or exhaust gas enthalpy by the exhaust gas turbocharger. The advantage is that the charging unit can be operated with the heat of combustion and / or the exhaust gas enthalpy of the internal combustion engine, which can be used to reduce fuel consumption. The heat of combustion and / or the exhaust gas enthalpy is not to be understood exclusively as exhaust gas heat, but in the present context also includes the combustion heat and / or exhaust gas enthalpy transferred to an engine block of the internal combustion engine in the form of wall heat, which is dissipated with the help of a cooling device so that the engine block has a preferred component temperature. The combustion heat and / or exhaust gas enthalpy generated during operation of the internal combustion engine is recuperated with the aid of the charging unit of the internal combustion engine according to the invention and can be at least partially fed back to the internal combustion engine via the generator that is actively connected to the turbine, for example by Supporting an alternator of the internal combustion engine, which is designed for operation of the internal combustion engine in a motor vehicle, for example lighting means to be supplied with electricity. Furthermore, for example, air conditioning devices of the motor vehicle can be supplied with energy that can be taken from the generator. These are exemplary energy consumers of a motor vehicle, which result in a corresponding fuel requirement of the internal combustion engine. If these energy consumers can now be supplied with energy in a different way or as a support, the fuel requirement of the internal combustion engine can be significantly reduced, as can be achieved with the present internal combustion engine according to the invention.

In einer Ausgestaltung dererfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist die Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie mitHilfe eines in der Ladeeinheit stromauf der Turbine angeordneten Wärmetauschers rekuperierbar. Der Wärmetauscher dient einer Erwärmung der durch die Turbine strömenden Frischluft, welche in der Turbine entspannt wird, damit sich eine Wellenleistung der Turbine gegenüber einer nicht erwärmten Frischluft steigert. Das heißt, da die Turbine den Generator antreibend ausgeführt ist, dass ebenso der Generator eine gesteigerte Stromerzeugung aufweist, wodurch mit Strom zu versorgende Energieverbraucher gesteigert mit Strom versorgt werden können, ohne Steigerung des Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungskraftmaschine.In one embodiment of the internal combustion engine according to the invention, the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy can be recuperated with the aid of a heat exchanger arranged in the charging unit upstream of the turbine. The heat exchanger is used to heat the fresh air flowing through the turbine, which is expanded in the turbine so that a shaft output of the turbine increases compared to unheated fresh air. That is to say, since the turbine is designed to drive the generator, the generator also has increased power generation, as a result of which energy consumers to be supplied with power can be supplied with power to an increased extent without increasing the fuel consumption of the internal combustion engine.

In einerweiteren Ausgestaltung dererfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist der Wärmetauscher mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine betreibbar ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass die dem Wärmetauscher zugeführte Frischluft mit dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine erwärmt wird. So kann auf einfache Weise die Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie, welche im Abgas gespeichert ist, genutzt werden. Eine Entnahme des Abgases kann dabei vor, somit stromauf des Abgasturboladers erfolgen oder nach dem Abgasturbolader, somit stromab. Ebenso kann die Entnahmestelle auch in Abhängigkeit einer gewünschten Temperatur der durch die Turbine strömenden Frischluftgeregelt werden, da sofern vor dem Abgasturbolader Abgas entnommen wird, dieses eine höhere Temperatur besitzt, damit die Frischluft stärker erwärmen kann, als bei einer Entnahme des Abgases nach dem Abgasturbolader, da hier das Abgas eine reduzierte Temperatur besitzt. Jedoch ist in bestimmten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine eine Temperatur der Ladeluft, welche von der Temperatur der Frischluftabhängt, gewünscht, die nicht eine maximal mögliche Temperatur ist, da gemäß einer hohen Temperatur der Ladeluft auch bspw. eine Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine gesteigert werden kann. Daher ist die Regelung der Temperatur der Frischluftund somit der Ladeluft ebenfalls vorteilhaft und könnte mit einer entsprechenden Entnahmestelle des Abgases bereits realisiert werden.In a further embodiment of the internal combustion engine according to the invention, the heat exchanger is designed to be operable with exhaust gas from the internal combustion engine. In other words, the fresh air supplied to the heat exchanger is heated with the exhaust gas from the internal combustion engine. In this way, the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy that is stored in the exhaust gas can be used in a simple manner. The exhaust gas can be withdrawn before, thus upstream, of the exhaust gas turbocharger or after the exhaust gas turbocharger, thus downstream. The extraction point can also be regulated as a function of a desired temperature of the fresh air flowing through the turbine, since if exhaust gas is extracted upstream of the exhaust gas turbocharger, it has a higher temperature so that the fresh air can be heated more than when the exhaust gas is extracted after the exhaust gas turbocharger, because here the exhaust gas has a reduced temperature. However, at certain operating points of the internal combustion engine, a temperature of the charge air, which depends on the temperature of the fresh air, is desired that is not a maximum possible temperature, since a high temperature of the charge air can also, for example, increase the tendency of the internal combustion engine to knock. The regulation of the temperature of the fresh air and thus of the charge air is therefore also advantageous and could already be implemented with a corresponding extraction point for the exhaust gas.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass zwischen der Frisch luft und der Ladeluft unterschieden wird. Mit dem Begriff Frischluft ist die im Bereich des Ansaugstranges bis nach der Drossel strömende Luft bezeichnet, welche entsprechend dem Betrieb der Ladeeinheitunterschiedliche thermodynamische Werte aufweist im Vergleich mit der Luft stromab der Drossel. Die stromab der Drossel in den Motorblock der Verbrennungskraftmaschine strömende Luft ist mit dem Begriff Ladeluft bezeichnet, da sie die fürdie entsprechenden Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine thermodynamischen Werte besitzt.At this point it should be mentioned that a distinction is made between fresh air and charge air. The term fresh air refers to the air flowing in the area of the intake line up to the throttle, which, depending on the operation of the charging unit, has different thermodynamic values compared to the air downstream of the throttle. The air flowing into the engine block of the internal combustion engine downstream of the throttle is referred to by the term charge air, since it has the thermodynamic values for the corresponding operating point of the internal combustion engine.

Alternativ oder zusätzlich zur vorstehend genannten Ausgestaltung ist der Wärmetauscher mit einer Kühleinrichtung eines Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine wirkverbunden ausgebildet. Der Motorblock weist grundsätzlich eine Kühleinrichtung zur Kühlung seiner selbst auf. Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erwärmt sich der Motorblock insbesondere aufgrund der Verbrennung in seinen Brennkammern stark, und zur Vermeidung eines Versagens von bspw. Lagern oder auch zur Vermeidung von Rissen im Motorblock ist die Kühleinrichtung, welche bevorzugtin Form einer Wasserkühlung ausgebildet ist, vorgesehen. Der Motorblock weist hierzu durchströmbare Kanäle auf, die von Wasser durchströmt werden. Dieses Wasser wird in einem Kreislauf ausgehend von einem Eintritt in den Motorblock bis zu seinem Austritt aus dem Motorblock erwärmt. Es nimmt somit einen Teil der Verbrennungswärme und/oder der Abgasenthalpie auf. Diese aufgenommene Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie muss wieder dem Wasser entzogen werden, damit das Wasser wieder gekühlt in den Motorblock eintreten kann. Mit der Wirkverbindung zwischen derKühleinrichtung und dem Wärmetauscherder Ladeeinheit wird nun die im Wasser gespeicherte Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie, die in der Kühleinrichtung dem Wasser wieder entnommen wird, genutzt, die durch den Wärmetauscher strömende Frischluft zu erwärmen. Die Kühleinrichtung kann dabei selbstder Wärmetauschersein. Jedoch in Abhängigkeit einer entsprechenden Leistung der Kühleinrichtung und des Wärmetauschers kann es vorteilhaft sein die Bauteile zu trennen.As an alternative or in addition to the embodiment mentioned above, the heat exchanger is designed to be operatively connected to a cooling device of an engine block of the internal combustion engine. The engine block basically has a cooling device for cooling itself. When the internal combustion engine is in operation, the engine block heats up considerably, in particular due to the combustion in its combustion chambers, and the cooling device, which is preferably in the form of water cooling, is provided to avoid failure of, for example, bearings or also to avoid cracks in the engine block. For this purpose, the engine block has channels through which water flows. This water is heated in a circuit from its entry into the engine block to its exit from the engine block. It thus absorbs part of the heat of combustion and / or the exhaust gas enthalpy. This absorbed heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy must be withdrawn from the water so that the water can re-enter the engine block in a cooled state. With the operative connection between the cooling device and the heat exchanger of the loading unit, the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy stored in the water, which is removed from the water in the cooling device, is used to heat the fresh air flowing through the heat exchanger. The cooling device itself can be the heat exchanger. However, depending on a corresponding output of the cooling device and the heat exchanger, it can be advantageous to separate the components.

In einerweiteren Ausgestaltung ist die Ladeeinheitgeregeltumgehbar ausgebildet. Es kann bei bestimmten Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine sinnvoll sein die Ladeeinheit teilweise oder sogar vollständig zu umgehen. Dies kann bspw. in niedrigen Last-und Drehzahlpunkten der Fall sein, in denen die Frischluft möglicherweise so gering verdichtet ist, dass ihre thermodynamischen Werte gerade hinreichend sind den gewünschten Betriebspunkt zu realisieren. Dies ist insbesondere abhängig von einer Größe des Abgasturboladers.In a further embodiment, the loading unit is designed to be controllable bypassable. At certain operating points of the internal combustion engine, it can make sense to bypass the loading unit partially or even completely. This can be the case, for example, at low load and speed points in where the fresh air is possibly so slightly compressed that its thermodynamic values are just sufficient to achieve the desired operating point. This is particularly dependent on a size of the exhaust gas turbocharger.

Vorteilhaft ist eine Umgehungsleitung zurUmgehung der Ladeeinheit im Ansaugstrang ausgebildet. Bevorzugt ist die Umgehungsleitung stromab des Ladeluftkühlers von einer Ansaugleitung des Ansaugstranges abzweigend ausgebildet und stromab der Ladeeinheit und stromauf des Motorblocks oder, sofern eine Drossel vorgesehen ist, stromauf der Drossel in die Ansaugleitung einmündend ausgeführt. Zur Regelung einer Durchströmung der Umgehungsleitung weistdiese ein Regelelementauf, mit Hilfe dessen bevorzugt ein Durchströmquerschnitt der Umgehungsleitung eingestellt werden kann.A bypass line for bypassing the loading unit is advantageously formed in the intake line. The bypass line is preferably designed to branch off an intake line of the intake line downstream of the charge air cooler and to open into the intake line downstream of the charging unit and upstream of the engine block or, if a throttle is provided, upstream of the throttle. In order to regulate a flow through the bypass line, the bypass line has a regulating element, with the aid of which a flow cross section of the bypass line can preferably be set.

Ebenso kann es in bestimmten Betriebspunkten sinnvoll sein, den Ladeluftkühler, welcher stromauf der Ladeeinheit vorgesehen ist, zu umgehen, so dass in einer weiteren Ausgestaltung dererfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine der Ladeluftkühier umgehbar ausgebildet ist.It can also be useful at certain operating points to bypass the charge air cooler, which is provided upstream of the charging unit, so that in a further embodiment of the internal combustion engine according to the invention, the charge air cooler is designed to be bypassed.

Zurweiteren verbesserten Einstellung des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine und damit ebenso zur verbesserten, oder mit anderen Worten effizienteren Rekuperation von Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie weist der Abgasturbolader eine verstellbare Turbinengeometrie oder einen Umgehungskanal zur vollständigen oderteilweisen Umgehung eines Turbinenrades des Abgasführungsabschnitts auf. Mit einem derart einstellbaren Betrieb des Abgasturboladers durch das Abgas ist ein weiterer Freiheitsgrad zum Betreiben der Ladeeinheit realisiert.For further improved setting of the operation of the internal combustion engine and thus also for improved, or in other words more efficient recuperation of combustion heat and / or exhaust gas enthalpy, the exhaust gas turbocharger has an adjustable turbine geometry or a bypass channel for completely or partially bypassing a turbine wheel of the exhaust gas routing section. With such an adjustable operation of the exhaust gas turbocharger by the exhaust gas, a further degree of freedom for operating the charging unit is realized.

Grundsätzlich ist angestrebt Drosselklappenverluste der Verbrennungskraftmaschine so gering wie möglich zu halten, wobei diese vollständig eliminiert sind, sofern keine Drosselklappe im Ansaugstrang ausgebildet ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere in sogenannten Notlaufpunkten der Verbrennungskraftmaschine die Drosselklappe geeignet ist, diese zu realisieren. Tatsächlich können die Notlaufpunkte ebenso auf andere Weise realisiert werden, jedoch stellt die Anordnung der Drosselklappe im Ansaugstrang eine einfache Art und Weise der Realisierung dar. Somit weist die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine in einer weiteren Ausgestaltung stromauf des Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine und stromab der Ladeeinheit eine Drossel im Ansaugstrang auf. Im Vergleich zu einer Verbrennungskraftmaschine ohne Ladeeinheit oder einer nicht erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine darin zu sehen, dass dem Motorblock zuzuführende Ladeluftin ihren thermodynamischen Größen mit Hilfe der Ladeeinheit so eingestelltwerden kann, dass sich eine Reduzierung von Drosselklappenverlusten ergibt.In principle, the aim is to keep throttle valve losses of the internal combustion engine as low as possible, these being completely eliminated if no throttle valve is formed in the intake line. It has been shown, however, that the throttle valve is particularly suitable for implementing this in so-called emergency running points of the internal combustion engine. In fact, the emergency points can also be implemented in another way, but the arrangement of the throttle valve in the intake manifold is a simple way of implementation. Thus, in a further embodiment, the internal combustion engine according to the invention has a throttle in the intake manifold upstream of the engine block of the internal combustion engine and downstream of the charging unit on. In comparison to an internal combustion engine without a charging unit or an internal combustion engine not according to the invention, a further advantage of the internal combustion engine according to the invention is that the thermodynamic quantities of the charge air to be supplied to the engine block can be adjusted with the aid of the charging unit in such a way that throttle valve losses are reduced.

In einerweiteren Ausgestaltung istdie der Ladeeinheitzugeordnete Turbine regelbar ausgeführt, wobei sie in einer besonderen Ausführung eine verstellbare Turbinengeometrie aufweist. Somit lässt sich auf einfache Weise ein Druckgefälle an der Turbine einstellen, wodurch die Rekuperation deutlich verbessert wird.In a further embodiment, the turbine assigned to the loading unit is designed to be controllable, and in a special embodiment it has an adjustable turbine geometry. In this way, a pressure gradient on the turbine can be set in a simple manner, which significantly improves recuperation.

Der zweite Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren füreine Verbrennungskraftmaschine, wobei die Verbrennungskraftmaschine einen Abgastrakt und einen Ansaugstrang aufweist, und wobei der Verbrennungskraftmaschine ein Abgasturbolader zugeordnet ist, welcher mit Abgas eines Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine betrieben werden kann. Im Ansaugstrang ist eine Ladeeinheit umfassend einen Generator, der mit einer Turbine wirkverbunden ist, angeordnet, wobei die Ladeeinheit im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine freigesetzte Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie übereine Nutzung der Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie durch den Abgasturbolader hinaus rekuperiert. Das heißtmit anderen Worten, dass prinzipiell durch einen Verbrennungsprozess der Verbrennungskraftmaschine freigesetzte Wärme genutzt wird zur Stromerzeugung mit Hilfe der Ladeeinheit. Mit anderen Worten kann auch gesagt werden, dass abgasseitig freigesetzte Wärme ansaugseitig mit Hilfe der Ladeeinheit verwertet, insbesondere rekuperiertwird. Der Vorteil ist darin zu sehen, dass eine prinzipiell der Verbrennungskraftmaschine zugeführte Energie überdie bislang übliche und bekannte Nutzung hinaus, hierunter ist auch die Nutzung durch einen bekannten Abgasturboladerzu verstehen, verwertet wird. Durch die Rekuperation können stromnutzende oder -benötigende Systeme der Verbrennungskraftmaschine, hier ist auch bspw. ein Steuergerät genannt, mit Strom versorgt werden, welcher ohne Verbrauchssteigerung der Verbrennungskraftmaschine erzeugt ist. Es kann darüber hinaus aufgrund einer Reduzierung von Drosselklappenverlusten eine Kraftstoffreduzierung im Vergleich zu einer Verbrennungskraftmaschine ohne Ladeeinheit herbeigeführt werden. Oder mit anderen Worten beschrieben, eine konventionelle Drossel mit ihren Drosselverlusten kann durch ein elektrische Energie erzeugendes System ersetzt werden bei gleichzeitiger Kontrollierung und Überwachung eines Massenstromes der Ladeluft. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass eine übliche Lichtmaschine des die Verbrennungskraftmaschine aufweisenden Kraftfahrzeugs eine geringere elektrische Leistung liefern muss bei gleichzeitiger Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs verglichen mit bekannten Verbrennungskraftmaschinen. Ein weiterer Vorteil ist, da eine Entspannung in der Turbine der Ladeeinheit stromab des üblichen Ladeluftkühlers zur Kühlung der verdichteten Frischluft erfolgt, der Ladeluftkühlerkleinerausgebildetwerden kann oder sogar entfallen oder in bestimmten Betriebspunkten umgangen werden kann, da mit der Entspannung eine Temperaturreduzierung einhergeht. Insgesamt ist der Vorteil zu nennen, dass die Möglichkeit gegeben ist, eine Rekuperation von Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie, insbesondere überschüssiger Abgasenergie, wie sie bspw. über einen elektrischen Abgasturbolader möglich ist, auf die hinsichtlich der mechanischen Anforderungen etwas einfacher zu beherrschenden „kalten Luftseite“ der Verbrennungskraftmaschine verschoben werden kann.The second aspect of the invention relates to a method for an internal combustion engine, the internal combustion engine having an exhaust tract and an intake branch, and the internal combustion engine being assigned an exhaust gas turbocharger which can be operated with exhaust gas from an engine block of the internal combustion engine. A charging unit comprising a generator that is operatively connected to a turbine is arranged in the intake line, the charging unit recuperating combustion heat and / or exhaust gas enthalpy released during operation of the internal combustion engine by using the combustion heat and / or exhaust gas enthalpy by the exhaust gas turbocharger. In other words, in principle, the heat released by a combustion process of the internal combustion engine is used to generate electricity with the aid of the charging unit. In other words, it can also be said that heat released on the exhaust gas side is utilized, in particular recuperated, on the intake side with the aid of the charging unit. The advantage is to be seen in the fact that an energy that is principally supplied to the internal combustion engine is utilized beyond the hitherto customary and known use, including use by a known exhaust gas turbocharger. As a result of the recuperation, systems of the internal combustion engine that use or require electricity, for example a control device, can be supplied with electricity that is generated without increasing the consumption of the internal combustion engine. In addition, due to a reduction in throttle valve losses, a fuel reduction can be brought about in comparison to an internal combustion engine without a charging unit. Or, in other words, a conventional throttle with its throttle losses can be replaced by a system that generates electrical energy with simultaneous control and monitoring of a mass flow of the charge air. An essential advantage is that a conventional alternator of the motor vehicle having the internal combustion engine has to deliver a lower electrical power while at the same time reducing the fuel consumption compared to known internal combustion engines. Another advantage is that there is a relaxation in the turbine of the charging unit downstream of the usual intercooler The compressed fresh air is cooled, the charge air cooler can be made smaller or even omitted or can be bypassed in certain operating points, since the expansion is accompanied by a temperature reduction. Overall, the advantage should be mentioned that there is the possibility of recuperation of combustion heat and / or exhaust gas enthalpy, in particular excess exhaust gas energy, as is possible, for example, via an electrical exhaust gas turbocharger, on the "cold air side", which is somewhat easier to control with regard to the mechanical requirements “The internal combustion engine can be moved.

Insbesondere erfolgt eine effiziente Nutzung der Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie sofern durch den Ansaugstrang strömende Frischluft stromab des Ladeluftkühlers und stromauf der Turbine der Ladeeinheit mit Hilfe der freigesetzten Verbrennungswärme und/oder Abgasen thalpie erwärmt wird.In particular, efficient use of the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy is provided if fresh air flowing through the intake manifold is heated upstream of the charge air cooler and upstream of the turbine of the charging unit with the aid of the released heat of combustion and / or exhaust gases.

Weiter vorteilhaft ausgebildet ist das Verfahren durch Erwärmung der Frischluftmit Hilfe eines stromab des Ladeluftkühlers und stromauf derTurbine in der Ladeeinheit ausgebildeten Wärmetauschers, wobei der Wärmetauscher mit Hilfe von Abgas der Verbrennungskraftmaschine und/oder mit Hilfe einer Wärme einer Kühleinrichtung eines Motorblocks der Verbrennungskraftmaschine betrieben wird. Somit kann die üblicherweise an die Umgebung abgegebene Wärme zu Rekuperation genutzt werden.The method is also advantageously designed by heating the fresh air with the aid of a heat exchanger formed in the charging unit downstream of the charge air cooler and upstream of the turbine, the heat exchanger being operated with the aid of exhaust gas from the internal combustion engine and / or with the aid of heat from a cooling device of an engine block of the internal combustion engine. In this way, the heat usually given off to the environment can be used for recuperation.

In der vorteilhaften Ausgestaltung, bei der der Wärmetauscher mit Hilfe einer Kühleinrichtung des Motorblocks oder sonstiger im Fahrzeug verbauter Komponenten wie beispielsweise E-Maschinen, Frequenzumrichter oder Batterien betrieben wird das Kühlsystem durch die Temperaturabsenkung in derTurbine der Ladeeinheit unterstützt. Das heisst, es muss weniger Kühlleistung an die Umgebung abgegeben werden, was aufgrund der nötigen Kühlfläche an der Fahrzeugfront i.d.R. zu einer Erhöhung des Luftwiderstands führt.In the advantageous embodiment, in which the heat exchanger is operated with the help of a cooling device in the engine block or other components installed in the vehicle, such as electric machines, frequency converters or batteries, the cooling system is supported by the temperature reduction in the turbine of the charging unit. This means that less cooling capacity has to be released into the environment, which usually leads to an increase in air resistance due to the necessary cooling surface on the front of the vehicle.

In einerweiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Druckgefälle an der Turbine herbeigeführt, wobei ein Ladedruck stromauf des Ansaugkrümmers und stromab der Drossel kleiner ist als ein Druck von Frischluft stromauf der Turbine, wobei der Ladedruck einem Ladedruck bei Betreiben der Verbrennungskraftmaschine ohne Ladeeinheit entspricht. Das bedeutet, dass stromauf der Turbine, die mit dem Generator wirkverbunden ist, der Druck der Frischluft, der mit Hilfe des Abgasturboladers erzeugt wird, größer ist als der Ladedruck der Ladeluft. Dies kann bspw. mit Hilfe eines elektrisch unterstützten Verdichters oder mit Hilfe eines mechanischen Verdichters realisiert werden, wobei insbesondere die zum Betreiben des Verdichters einzusetzende Energie kleiner sein sollte als die durch die Ladeeinheit gewonnene Energie. Dies wiederum könnte durch eine entsprechende Dimensionierung des Verdichters realisiert werden.In a further embodiment of the method according to the invention, a pressure gradient is brought about on the turbine, a boost pressure upstream of the intake manifold and downstream of the throttle being lower than a pressure of fresh air upstream of the turbine, the boost pressure corresponding to a boost pressure when the internal combustion engine is operated without a charging unit. This means that upstream of the turbine, which is actively connected to the generator, the pressure of the fresh air, which is generated with the help of the exhaust gas turbocharger, is greater than the boost pressure of the charge air. This can be implemented, for example, with the aid of an electrically assisted compressor or with the aid of a mechanical compressor, in particular the energy to be used to operate the compressor should be less than the energy obtained by the charging unit. This, in turn, could be implemented by appropriately dimensioning the compressor.

Besonders nutzbringend und daher effizient kann das Druckgefälle herbeigeführt werden, wenn ein Umgehungskanal des Abgasturboladers relativ zu einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine ohne Ladeeinheit erst bei einer größeren Abgasmenge geöffnet wird, als es in einem Referenzsystem ohne die Ladeeinheit der Fall wäre. Dies bedeutet, dass der Abgasturbolader in Form eines so genannten Wastegate-Laders ausgebildet ist, wobei ein Turbinenrad des Abgasturboladers durch vollständiges oder teilweises Öffnen des Umgehungskanals vollständig oder teilweise umgangen wird. Das heißt mit anderen Worten, dass das Turbinenrad von Abgas nichtbzw. nur teilweise beaufschlagtwird.The pressure gradient can be brought about particularly useful and therefore efficiently if a bypass channel of the exhaust gas turbocharger is only opened when the exhaust gas volume is greater than when the internal combustion engine is operating without the charging unit than would be the case in a reference system without the charging unit. This means that the exhaust gas turbocharger is designed in the form of a so-called wastegate charger, a turbine wheel of the exhaust gas turbocharger being completely or partially bypassed by opening the bypass duct completely or partially. In other words, that means that the turbine wheel is not or. is only partially applied.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann effektiv bei einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist.The method according to the invention can be used effectively in an internal combustion engine which is designed according to one of claims 1 to 12.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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 derjeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nichtin allen Figuren mitihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Es zeigen:

1 in einer Prinzipdarstellung eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Stand der Technik,
2 in einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine in einem ersten Ausführungsbeispiel, und
3 in einer Prinzipdarstellung die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine in einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred exemplary embodiments and on the basis of the drawing. 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. Identical or functionally identical elements are assigned identical reference symbols. For the sake of clarity, it is possible that the elements are not provided with their reference symbols in all figures without, however, losing their assignment. Show it:

1 in a schematic diagram of an internal combustion engine according to the prior art,
2 in a schematic representation of an internal combustion engine according to the invention in a first embodiment, and
3 in a schematic diagram of the internal combustion engine according to the invention in a second exemplary embodiment.

Eine Verbrennungskraftmaschine 10, wie sie bekannt ist, ist gemäß 1 aufgebautund weist einen Motorblock 11 in Form einer Hubkolbenmaschine auf. Die Verbrennungskraftmaschine 10, welche in Form eines Ottomotors ausgebildet ist, umfassteinen Abgastrakt 12 und einen Ansaugstrang 14, wobei der Abgastrakt 12 mit einem Abgaskrümmer 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 und der Ansaugstrang 14 mit einem Ansaugkrümmer 18 der Verbrennungskraftmaschine 10 mit dem Motorblock 11 durchströmbar verbunden sind.An internal combustion engine 10 as it is known, is according to 1 constructed and has an engine block 11 in the form of a reciprocating engine. The internal combustion engine 10 , which is designed in the form of a gasoline engine, comprises an exhaust tract 12th and an intake manifold 14th , where the Exhaust tract 12th with an exhaust manifold 16 the internal combustion engine 10 and the intake manifold 14th with an intake manifold 18th the internal combustion engine 10 with the engine block 11 are connected through flow.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasstweiter einen Abgasturbolader 20, wobei ein durchströmbarer Abgasführungsabschnitt 22 des Abgasturboladers20 in dem Abgastrakt 12 durchströmbar und ein durchströmbarer Frischluftführungsabschnitt24 des Abgasturboladers 20 in dem Ansaugstrang 14 durchströmbar aufgenommen sind. In einem zwischen dem Abgasführungsabschnitt22 und dem Frischluftführungsabschnitt24 angeordneten Lagerabschnitt26 des Abgasturboladers 20 ist ein Laufzeug 28 drehbar gelagert, wobei ein Verdichterrad 30 des Laufzeugs 28 drehbar im Frischluftführungsabschnitt24 und ein Turbinenrad 32 des Laufzeugs 28 drehbar im Abgasführungsabschnitt22 aufgenommen sind. Das Turbinenrad 32 wird von Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10, welches über den Abgastrakt 12 ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine 10 in eine Umgebung 34 strömt, angetrieben, wobei es aufgrund einer drehfesten Verbindung mit dem Verdichterrad 30 dieses antreibt.The internal combustion engine 10 further comprises an exhaust gas turbocharger 20th , wherein an exhaust gas guide section through which a flow can flow 22nd of the exhaust gas turbocharger 20 in the exhaust gas tract 12th flow through and a through flow fresh air guide section 24 of the exhaust gas turbocharger 20th in the intake manifold 14th are taken through flow. In a bearing section 26 of the exhaust gas turbocharger arranged between the exhaust gas duct section 22 and the fresh air duct section 24 20th is a running gear 28 rotatably mounted, with a compressor wheel 30th of the running gear 28 rotatable in the fresh air guide section 24 and a turbine wheel 32 of the running gear 28 are rotatably received in the exhaust gas guide section22. The turbine wheel 32 is from the exhaust gas of the internal combustion engine 10 , which via the exhaust tract 12th starting from the internal combustion engine 10 in an environment 34 flows, driven, whereby it is due to a rotationally fixed connection with the compressor wheel 30th this drives.

Das Verdichterrad 30 saugtaufgrund seiner Rotation Frischluft aus der Umgebung 34 an, welche im Frischluftführungsabschnitt24 verdichtet wird und überden Ansaugstrang 14 dem Motorblock 11 zugeführt wird.The compressor wheel 30th sucks in fresh air from the environment due to its rotation 34 which is compressed in the fresh air guide section 24 and via the intake manifold 14th the engine block 11 is fed.

Stromab des Frischluftführungsabschnitts 24 und stromauf des Ansaugkrümmers 18 ist im Ansaugstrang 14 ein Ladeluftkühler36 aufgenommen, welcherdie in die Verbrennungskraftmaschine 10 strömende Frischluft kühlt.Downstream of the fresh air duct section 24 and upstream of the intake manifold 18th is in the intake manifold 14th a charge air cooler 36 was added, which the internal combustion engine 10 flowing fresh air cools.

Stromab vom Ladeluftkühler36 und stromauf vom Ansaugkrümmer 18 ist eine Drossel 38 im Ansaugstrang 14 angeordnet, die einer Regelung der dem Motorblock 11 zuzuführenden Frischluftdient.Downstream of the intercooler36 and upstream of the intake manifold 18th is a thrush 38 in the intake manifold 14th arranged that a scheme of the engine block 11 fresh air to be supplied.

Zwischen dem Ladeluftkühler36 und der Drossel 38 ist eine Ladeeinheit 40 im Ansaugstrang 14 integriert, welche dem Betreiben eines Generators 42 dient. Die Ladeeinheit 40 kann über eine Umgehungsleitung 44, welche an einer stromab des Ladeluftkühlers 36 und stromauf der Ladeeinheit 40 in einer Ansaugleitung 46 des Ansaugstranges 14 ausgebildeten Abzweigung 48 von der Ansaugleitung 46 abzweigend und an einer stromab der Ladeeinheit 40 und stromauf der Drossel 38 an einerEinmündung 50 in die Ansaugleitung 46 einmündend ausgebildet ist, umströmt werden. Das heißtmit anderen Worten, dass die über den Ansaugstrang 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Frischluftnichtzwingend überdie Ladeeinheit 40 strömen muss. Zur Regelung der Durchströmung oder Umströmung bzw. Bypassierung derLadeeinheit 40 ist in der Umgehungsleitung 44 ein Regelelement 52 angeordnet, mit welchem die durchströmbare Umgehungsleitung 44 gesperrt oder vollständig oder teilweise geöffnet werden kann.Between the intercooler36 and the throttle 38 is a loading unit 40 in the intake manifold 14th integrated, which means operating a generator 42 serves. The loading unit 40 can be via a bypass line 44 which on a downstream of the intercooler 36 and upstream of the loading unit 40 in a suction line 46 of the intake manifold 14th trained junction 48 from the suction line 46 branching off and on one downstream of the loading unit 40 and upstream of the throttle 38 at a junction 50 in the suction line 46 is formed opening out, flowed around. In other words, that via the intake manifold 14th the internal combustion engine 10 fresh air to be supplied is not necessarily via the loading unit 40 must flow. To regulate the flow or flow around or bypassing the charging unit 40 is in the bypass line 44 a rule element 52 arranged with which the flow-through bypass line 44 locked or fully or partially opened.

Die Ladeeinheit 40 weist eine Turbine 54 auf, die mit dem Generator 42 mit Hilfe einer Welle 56 wirkverbunden ist. Das heißt, dass bei einer Durchströmung der Turbine 54 mit Frischluft, diese in der Turbine 54 entspanntwird und der Generator 42, welcher zur Stromerzeugung vorgesehen ist, aufgrund der Wirkverbundenheitmit der Turbine 54 betrieben wird. Mit Hilfe der in Form einer regelbaren Turbine ausgebildeten Turbine 54 ist ein dem Motorblock 11 zuzuführender Massenstrom Ladeluft einstellbar. Des Weiteren kann mit Hilfe des Regelelementes 52 dem Motorblock 11 insbesondere in einem oberen Last- und Drehzahlbereich des Motorblocks 11 diesem ausreichend Ladeluft zur Verfügung gestellt werden. In einem unteren Last- und Drehzahlbereich ist der Ladedruck mit Hilfe der Drossel 38 zusätzlich regelbar.The loading unit 40 has a turbine 54 on that with the generator 42 with the help of a wave 56 is effectively connected. That means that when there is a flow through the turbine 54 with fresh air, this in the turbine 54 is relaxed and the generator 42 , which is intended for power generation, due to the operational connection with the turbine 54 is operated. With the help of the turbine designed in the form of a controllable turbine 54 is on the engine block 11 mass flow of charge air to be supplied adjustable. Furthermore, with the help of the control element 52 the engine block 11 especially in an upper load and speed range of the engine block 11 this sufficient charge air can be made available. In a lower load and speed range, the boost pressure is with the help of the throttle 38 additionally adjustable.

Stromab der Turbine 54 ist ein Wärmetauscher60 der Ladeeinheit 40 zugeordnet. Da der über die Turbine 54 entspannten Frischluft, welche weiter als Ladeluft über die Drossel 38 in den Motorblock 11 strömt, Wärme entzogen wurde, ist die Möglichkeit gegeben den Wärmetauscher 60 mit einernichtnäherdargestellten Klimavorrichtung eines die Verbrennungskraftmaschine 10 aufweisenden nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs wirkverbunden auszuführen.Downstream of the turbine 54 is a heat exchanger 60 of the loading unit 40 assigned. Since the one about the turbine 54 relaxed fresh air, which continues as charge air via the throttle 38 in the engine block 11 flows, heat has been withdrawn, there is the possibility of the heat exchanger 60 with an air conditioning device, not shown in detail, of the internal combustion engine 10 having motor vehicle not shown in more detail to perform operatively connected.

Die gemäß 1 ausgebildete Verbrennungskraftmaschine 10 nutzt die der Frischluft inhärenten Energie stromauf des Motorblocks 11, wobei die Frischluft mit Hilfe des Abgasturboladers 20 verdichtet wurde.According to 1 trained internal combustion engine 10 uses the energy inherent in the fresh air upstream of the engine block 11 , the fresh air with the help of the exhaust gas turbocharger 20th was condensed.

Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine 10 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel gem. 2 derart aufgebaut, dass die Ladeeinheit 40 zur Rekuperation von im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 freigesetzter Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie über eine Nutzung der Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpiedurch den Abgasturbolader 20 hinaus ausgebildet ist.The internal combustion engine according to the invention 10 is in accordance with a first embodiment. 2 constructed in such a way that the loading unit 40 for recuperation during operation of the internal combustion engine 10 released heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy through utilization of the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy by the exhaust gas turbocharger 20th is also trained.

Hierzu weist die Ladeeinheit 40 gegenüber dem Stand der Technik den weiteren Wärmetauscher 60 stromauf der Turbine 54 auf. Das heißt mit anderen Worten, dass bei einer Durchströmung der Ladeeinheit 40 die über die Ansaugleitung46 zur Verbrennungskraftmaschine 10 strömende Frischluft erwärmt wird, bevor sie die Turbine 54 der Ladeeinheit 40 beaufschlägt, wodurch eine wesentliche Steigerung der Drehzahlen der Turbine 54 und somit ein verbesserter Betrieb des Generators 42 herbei geführt wird.To this end, the loading unit 40 compared to the prior art, the further heat exchanger 60 upstream of the turbine 54 on. In other words, that means that when there is a flow through the loading unit 40 via the intake line46 to the internal combustion engine 10 flowing fresh air is heated before it enters the turbine 54 the loading unit 40 acted upon, causing a substantial increase in the speed of the turbine 54 and thus improved operation of the generator 42 is brought about.

Der Wärmetauscher 60 ist wirkverbunden mit einer nicht näher dargestellten Kühleinrichtung der Verbrennungskraftmaschine 10, die bspw. in Form einer Wasserkühlung ausgebildetist. Die Kühleinrichtung dientder Kühlung des Motorblocks 11, dessen Kurbelgehäuse und möglicherweise auch dessen Zylinderkopf wasserdurchströmbar ausgebildet sind. Das durch den Motorblock 11 geführte, sich dabei erwärmende Kühlwasser wird in einem Kühler, welcherin Form eines Wärmetauschers ausgebildet ist, wieder gekühlt, wobei der Wärmetauscher60 der Ladeeinheit 40 dem Wärmetauscher des Motorblocks 11 entsprechen kann oder mit diesem zumindestwirkverbunden ausgeführt ist. Das heißt mit anderen Worten, dass die überden Motorblock 11 insbesondere in Form von Wandwärme abgeführte Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie mit Hilfe des in der Ladeeinheit 40 stromauf der Turbine 54 angeordneten Wärmetauschers60 rekuperiertwird.The heat exchanger 60 is operatively connected to a cooling device, not shown in detail, of the internal combustion engine 10 which is designed, for example, in the form of water cooling. The cooling device serves to cool the engine block 11 , whose crankcase and possibly also whose cylinder head are designed so that water can flow through them. That through the engine block 11 Guided cooling water which is heated in the process is cooled again in a cooler, which is designed in the form of a heat exchanger, the heat exchanger 60 of the loading unit 40 the heat exchanger of the engine block 11 can correspond or is at least designed to be operatively connected to it. In other words, that means that the engine block 11 In particular, the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy removed in the form of wall heat with the aid of the in the loading unit 40 upstream of the turbine 54 arranged heat exchanger 60 is recuperated.

Ebenso kann der Wärmetauscher 60 der Ladeeinheit 40 in einem nicht näher dargestellten, weiteren Ausführungsbeispiel auch das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 zur Erwärmung der Frischluft nutzbar machend ausgebildetsein. Das heißt, dass der Wärmetauscher60 bspw. mit Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10, somit mit der dem Abgas inhärenten Verbrennungswärme erwärmt wird.The heat exchanger can also 60 the loading unit 40 in a further exemplary embodiment, not shown in detail, also the exhaust gas from the internal combustion engine 10 be trained to heat the fresh air so that it can be used. This means that the heat exchanger 60, for example, with exhaust gas from the internal combustion engine 10 , thus is heated with the inherent heat of combustion in the exhaust gas.

Sofern der Wärmetauscher des Motorblocks 11 zur Erwärmung der Frischluft genutzt wird, wird vorgeschlagen eine Einlasstemperaturder Frischluft stromauf der Turbine 54 und stromab des Wärmetauschers 60 auf einen Wert von ca. 80°C einzustellen. Sofern der Wärmetausch er eines Niedertemperaturkühlkreislauf für Komponenten wie E-Maschinen, Frequenzumrichter oder Batterien zur Erwärmung der Frischluft genutzt wird, wird vorgeschlagen eine Einlasstemperatur der Frischluft stromauf der Turbine 54 und stromab des Wärmetauschers 60 auf einen Wert von ca. 50°C einzustellen. Sofern das Abgas als Wärmemittel bzw. Heizmittel fürdie Frischluft stromauf der Turbine 54 genutzt wird, ist bevorzugt die Einlasstemperaturder Frischluft mit einem Wert von 200°C vorzusehen.If the heat exchanger of the engine block 11 is used to heat the fresh air, an inlet temperature of the fresh air is proposed upstream of the turbine 54 and downstream of the heat exchanger 60 set to a value of approx. 80 ° C. If the heat exchange of a low-temperature cooling circuit for components such as electric machines, frequency converters or batteries is used to heat the fresh air, an inlet temperature of the fresh air upstream of the turbine is proposed 54 and downstream of the heat exchanger 60 set to a value of approx. 50 ° C. If the exhaust gas is used as a heating medium or heating medium for the fresh air upstream of the turbine 54 is used, the inlet temperature of the fresh air is preferably to be set at a value of 200 ° C.

Die Verbrennungskraftmaschine 10 in einem zweiten Ausführungsbeispiel ist gemäß 3 ausgebildet. Hierist die Möglichkeit gegeben durch eineweitere Umgehungsleitung 62, welche zur Umgehung des Ladeluftkühlers 36 ausgebildet ist, den Ladeluftkühler36 zu umgehen, so dass die aufgrund der Verdichtung gegenüber Luft aus der Umgebung erwärmte Frischluft thermodynamisch genutzt werden und in der Turbine 54, diese antreibend, bei einer höheren Temperatur verglichen mit der Temperatur bei einer Durchströmung des Ladeluftkühlers 36, entspanntwerden kann.The internal combustion engine 10 in a second embodiment is according to 3 educated. The possibility is given here by a further bypass line 62 which bypasses the intercooler 36 is designed to bypass the charge air cooler36, so that the fresh air, which is heated due to the compression with respect to air from the environment, is used thermodynamically and in the turbine 54 driving them at a higher temperature compared to the temperature when the air flows through the intercooler 36 can be relaxed.

Die weitere Umgehungsleitung 62 zweigt von der Ansaugleitung 46 stromauf des Ladeluftkühlers 36 und stromab des Frisch luftführungsabschnitts 24 ab und mündet stromab des Ladeluftkühlers 36 und stromauf der Abzweigung 48 wieder in die Ansaugleitung 46 ein. Es ist ein weiteres Regelelement64 in der weiteren Umgehungsleitung 62 angeordnet, mit dessen Hilfe die Durchströmung der weiteren Umgehungsleitung 62 durch vollständiges oder teilweises Öffnen oder Schließen regelbar ist.The further bypass line 62 branches from the suction line 46 upstream of the intercooler 36 and downstream of the fresh air guide section 24 and opens downstream of the intercooler 36 and upstream of the junction 48 back into the suction line 46 on. It is a further control element64 in the further bypass line 62 arranged, with the help of which the flow of the further bypass line 62 can be regulated by fully or partially opening or closing.

Im zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine 10, deren Ladeeinheit 40 ebenfalls zur Rekuperation von im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 freigesetzter Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie über eine Nutzung der Verbrennungswärme und/oder Abgasenthalpie durch den Abgasturbolader 20 hinaus ausgebildet ist, ist der Abgasturbolader 20 in Form eines so genannten Wastegate-Laders ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass der Abgasturbolader 20 einen Umgehungskanal 66 mit einem Strömungsquerschnitt 68 zur Umgehung des Turbinenrades 32 besitzt, welcher geschlossen oder teilweise geschlossen oder geöffnet werden kann. Mit Hilfe der Beaufschlagung des Turbinenrades 30 durch das Abgas ist eine über das Verdichterrad 32 geförderte Menge Ladeluft regelbar. Das heißt, dass gemäß eines Abgasstromes, welcherdas Turbinenrad 32 beaufschlagt, eine entsprechende Ladeluftmenge herbeigefü hrt wird.In the second embodiment of the internal combustion engine according to the invention 10 , their loading unit 40 also for recuperation during operation of the internal combustion engine 10 Released heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy through utilization of the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy by the exhaust gas turbocharger 20th is also designed, the exhaust gas turbocharger 20th designed in the form of a so-called wastegate charger. In other words, that means the exhaust gas turbocharger 20th a bypass channel 66 with a flow cross section 68 to bypass the turbine wheel 32 which can be closed or partially closed or opened. With the help of the application of the turbine wheel 30th through the exhaust gas is one through the compressor wheel 32 The amount of charge air delivered can be regulated. That is, according to an exhaust gas flow passing through the turbine wheel 32 applied, a corresponding amount of charge air is brought about.

Nun ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Druckgefälle dp an der Turbine 54 durch Reduzierung des Strömungsquerschnitts 66 gesteigert wird, wobei sich die Reduzierung des Strömungsquerschnitts 66 auf einen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 ohne die Ladeeinheit 40 bezieht. Eine Temperatur der Ladeluft stromauf des Motorblocks 11 und stromab der Drossel 38 ist mit Hilfe des weiteren Regelelementes 64 einstellbar, welches die vollständige oder teilweise Umströmung des Ladeluftkühlers 36 regelt. Es ist dabei vorgesehen, dass die Temperatur der Ladelufteinen Wert von 50°C nicht übersteigt, damit ein Klopfen derVerbrennungskraftmaschine 10 vermieden ist. Das heißt mit anderen Worten, dass das Regelelement64 in der Umgehungsleitung des Ladeluftkühlers 62 soweit geöffnet wird, bis sich eine Temperatur der Ladeluft mit einem Wert von 50°C einstellt.It is now provided according to the invention that a pressure gradient dp across the turbine 54 by reducing the flow cross-section 66 is increased, with the reduction of the flow cross-section 66 to an operation of the internal combustion engine 10 without the loading unit 40 relates. A temperature of the charge air upstream of the engine block 11 and downstream of the throttle 38 is with the help of the further control element 64 adjustable, which the full or partial flow around the intercooler 36 regulates. It is provided that the temperature of the charge air does not exceed 50 ° C, so that the internal combustion engine knocks 10 is avoided. In other words, that means that the control element 64 is in the bypass line of the charge air cooler 62 is opened until a temperature of the charge air with a value of 50 ° C is reached.

Der Ladedruck der Ladeluft stromab der Drossel 38 ist im Betrieb des Generators 42 kleiner oder höchstens gleich einem Druck stromab des Abgasturboladers 20 und stromauf der weiteren Umgehungsleitung 62.The boost pressure of the charge air downstream of the throttle 38 is in operation of the generator 42 less than or at most equal to a pressure downstream of the exhaust gas turbocharger 20th and upstream of the further bypass line 62 .

Hierfürwird der Abgasturbolader 20, selbstredend innerhalb seinerzulässigen Betriebsgrenzen und derzulässigen Betriebsgrenzen derVerbrennungskraftmaschine 10, bei einem bezogen auf den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 ohne die Ladeeinheit 40 so viel weiter geschlossenem Strömungsquerschnitt68 betrieben, dass die in der Ladeeinheit 40 erzeugte Turbinenleistung und die dafüran der Verbrennungskraftmasch ine 10 aufgrund des erhöhten Abgasgegendrucks erhöhte Ladungswechselarbeit in einem möglich günstigen Verhältnis stehen.The exhaust gas turbocharger is used for this 20th , of course within its permissible operating limits and the permissible operating limits the internal combustion engine 10 , with one related to the operation of the internal combustion engine 10 without the loading unit 40 so much further closed flow cross-section68 that the one in the loading unit 40 generated turbine power and the for it on the internal combustion engine 10 due to the increased exhaust gas back pressure, increased gas exchange work are in a possibly favorable ratio.

Die im entsprechenden Betrieb des Abgasturboladers 20 erzielte Menge Frischluft, welch zumindestbei vollständig geschlossenem Strömungsquerschnitt 68 einen höheren Druck aufweist als es in einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 ohne Ladeeinheit 40 realisiert wird, wird in der Turbine 54, welche mitdem Generator 42 wirkverbunden ist, auf den in einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 10 ohne Ladeeinheit 40 erreichbaren Druck entspannt, wobei eine bestimmte Wellenleistung der Welle 56 realisiert wird.The corresponding operation of the exhaust gas turbocharger 20th amount of fresh air achieved, which at least when the flow cross-section is completely closed 68 has a higher pressure than when the internal combustion engine is operating 10 without loading unit 40 is realized is in the turbine 54 , which with the generator 42 is operatively connected to the operation of the internal combustion engine 10 without loading unit 40 achievable pressure relaxed, with a certain wave power of the wave 56 is realized.

Die Turbine 54 ist im ersten Ausführungsbeispiel in Form einer ungeregelten Turbine und im zweiten Ausführungsbeispiel eine so genannte verstellbare Turbinengeometrie 70 aufweisend ausgebildet, welche bevorzugt in Form eines verstellbaren Leitapparates ausgestaltet ist. Der verstellbare Leitapparat 70 weist eine Mehrzahl von Leitschaufeln auf, welche ein Turbinenrad der Turbine 54 umfassend, in einem Turbinengehäuse 72 der Turbine 54 bewegbar angeordnet sind. Mit Hilfeder Mehrzahl von Leitschaufeln ist ein Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrades einstellbar, wodurch sich das Druckgefälle dp an der Turbine 54 regeln lässt. Insbesondere lässt sich damit der Ladedruck sowie die Masse der Ladeluft regeln. Dadurch ist ein weiterer Freiheitsgrad einer Regelung der thermodynamischen Werte der Ladeluft gegeben.The turbine 54 is in the first embodiment in the form of an unregulated turbine and in the second embodiment a so-called adjustable turbine geometry 70 having designed, which is preferably designed in the form of an adjustable guide apparatus. The adjustable nozzle 70 has a plurality of guide vanes which form a turbine wheel of the turbine 54 comprising, in a turbine housing 72 the turbine 54 are movably arranged. A flow cross section upstream of the turbine wheel can be set with the aid of the plurality of guide vanes, as a result of which the pressure gradient dp across the turbine is increased 54 can regulate. In particular, it can be used to regulate the boost pressure and the mass of the charge air. This provides a further degree of freedom in regulating the thermodynamic values of the charge air.

Ebenso könnte auch der Abgasturbolader 20 des zweiten Ausführungsbeispiels in Form eines Abgasturboladers 20 mit einem verstellbaren Leitapparat 70 ausgebildetsein.The exhaust gas turbocharger could also 20th of the second embodiment in the form of an exhaust gas turbocharger 20th with an adjustable nozzle 70 be educated.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
1111: MotorblockEngine block
1212th: AbgastraktExhaust tract
1414th: AnsaugstrangIntake manifold
1616: AbgaskrümmerExhaust manifold
1818th: AnsaugkrümmerIntake manifold
2020th: AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
2222nd: AbgasführungsabschnittExhaust gas routing section
2424: LuftführungsabschnittAir duct section
2626th: LagerabschnittWarehouse section
2828: LaufzeugRunning gear
3030th: VerdichterradCompressor wheel
3232: TurbinenradTurbine wheel
3434: UmgebungSurroundings
3636: LadeluftkühlerIntercooler
3838: Drosselthrottle
4040: LadeeinheitLoading unit
4242: Generatorgenerator
4444: UmgehungsleitungBypass line
4646: AnsaugleitungSuction line
4848: AbzweigungJunction
5050: EinmündungConfluence
5252: RegelelementControl element
5454: Turbineturbine
5656: Wellewave
6060: WärmetauscherHeat exchanger
6262: Weitere UmgehungsleitungFurther bypass line
6464: Weiteres RegelelementAnother rule element
6666: UmgehungskanalBypass channel
6868: StrömungsquerschnittFlow cross-section
7070: Verstellbare TurbinengeometrieAdjustable turbine geometry
7272: TurbinengehäuseTurbine housing

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

EP 3037640 A1 [0004]
US 8967116 B2 [0005]

Claims

Internal combustion engine, having an intake line (14) and an exhaust gas tract (12) through which a flow can flow, and with an exhaust gas turbocharger (20), with an exhaust gas guide section (22) of the exhaust gas turbocharger (20) through which flow can flow in the exhaust gas system (12) and a through flow gas duct (14) in the intake line (14) Air guiding section (24) of the exhaust gas turbocharger (20) are added, and wherein a charging unit (40) downstream of the air guiding section (24) and upstream of an intake manifold (18) of an engine block (11) of the internal combustion engine (10) in the intake line (14) can be flown through , wherein the charging unit (40) has a generator (42) driven by a turbine (54), and wherein a charge air cooler (36) is received in the intake line (14) upstream of the charging unit (40) and downstream of the air guiding section (24), thereby characterized in that the charging unit (40) for recuperation of combustion heat and / or exhaust gas released during operation of the internal combustion engine (10) pie is formed beyond the use of the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy by the exhaust gas turbocharger (20).

Internal combustion engine after Claim 1 , characterized in that the heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy can be recuperated with the aid of a heat exchanger (60) arranged in the charging unit (40) upstream of the turbine (54).

Internal combustion engine after Claim 2 , characterized in that the heat exchanger (60) is designed to be operable with exhaust gas from the internal combustion engine (10).

Internal combustion engine after Claim 2 or 3 , characterized in that the heat exchanger (60) is designed to be operatively connected to a cooling device of an engine block (11) of the internal combustion engine (10).

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the charging unit (40) is designed to be bypassed in a controlled manner.

Internal combustion engine after Claim 5 , characterized in that a bypass line (44) for bypassing the loading unit (40) is formed in the intake line (14).

Internal combustion engine after Claim 6 , characterized in that a flow through the bypass line (44) can be regulated with the aid of a regulating element (52).

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the charge air cooler (36) is designed to be bypassable.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas turbocharger (20) has an adjustable turbine geometry (70) or a bypass duct (66) for completely or partially bypassing a turbine wheel of the exhaust gas routing section.

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that a throttle (38) is arranged in the intake line (14) upstream of an engine block (11) of the internal combustion engine (10) and downstream of the charging unit (40).

Internal combustion engine according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine (54) of the charging unit (40) is designed to be controllable.

Internal combustion engine after Claim 11 , characterized in that the turbine (54) has an adjustable turbine geometry (70).

A method for an internal combustion engine, wherein the internal combustion engine (10) has an exhaust gas tract (12) and an intake line (14), and the internal combustion engine (10) is assigned an exhaust gas turbocharger (20) which is supplied with exhaust gas from an engine block (11) of the internal combustion engine ( 10) can be operated, and wherein in the intake line (14) a charging unit (40) comprising a generator (42) which is operatively connected to a turbine (54), the charging unit (40) burning heat released during operation of the internal combustion engine (10) and / or cancellation throat by using the heat of combustion and / or the exhaust gas enthalpy by the exhaust gas turbocharger (20).

Procedure according to Claim 13 , characterized in that fresh air flowing through the intake line (14) downstream of the charge air cooler (36) and upstream of the turbine (54) is heated with the aid of the released heat of combustion and / or exhaust gas enthalpy.

Procedure according to Claim 14 , characterized in that the fresh air is heated with the aid of a heat exchanger (60) formed in the charging unit (40) downstream of the charge air cooler (36) and upstream of the turbine (54), the heat exchanger (60) being heated with the aid of exhaust gas from the internal combustion engine ( 10) and / or with help a heat of a cooling device of an engine block (11) of the internal combustion engine (10) is operated.

Procedure according to Claim 13 , characterized in that a pressure gradient is brought about at the turbine (54), wherein a boost pressure upstream of the intake manifold (18) and downstream of the throttle (38) is less than a pressure of fresh air upstream of the turbine (54) and wherein the boost pressure is at a boost pressure Operating the internal combustion engine (10) without a loading unit (40) corresponds.

Procedure according to Claim 16 , characterized in that a bypass channel (66) of the exhaust gas turbocharger (20) is opened relative to operation of the internal combustion engine (10) without a charging unit (40) when the amount of exhaust gas is higher to bring about the pressure drop.

Method according to one of the Claims 13 to 17th , characterized in that the internal combustion engine (10) according to one of the Claims 1 to 12th is trained.