DE102019114932A1 - Method for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and exhaust gas turbocharger system, in particular for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader (2) mit Hilfe eines zusätzlichen Antriebs (21) angetrieben werden kann, und wobei in einem Ansaugstrang (4) der Verbrennungskraftmaschine (1) ein Ladeluftkühler (8) zum Kühlen der der Verbrennungskraftmaschine (1) zuzuführenden Ladeluft angeordnet ist, und wobei der Abgasturbolader (2) ein Laufzeug (27) aufweist, umfassend ein Turbinenrad (16), welches drehfest mit einem Verdichterrad (18) mit Hilfe einer Welle (17) verbunden ist, wobei das Turbinenrad (16) in einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt (5) des Abgasturboladers (2), das Verdichterrad (18) in einem durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt (3) des Abgasturboladers (2) und die Welle (17) in einem Lagerabschnitt (28) des Abgasturboladers (2) gelagert sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass- ein geometrisches Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine (1) von einem effektiven Verdichtungsverhältnis entkoppelt wird, wobei das effektive Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das geometrische Verdichtungsverhältnis,- aus der Verbrennungskraftmaschine (1) austretendes Abgas im vollständigen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine (1) vollständig das Turbinenrad (16) beaufschlagt, und- ein Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine (1) anhebbar ist, damit ein zumindest dem geometrischen Verdichtungsverhältnis entsprechender Druck im Zylinder (12) bei geschlossenen Einlass- und Auslasskanälen (13, 14) der Verbrennungskraftmaschine (1) erzielt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Abgasturboladersystem (26) für insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, the exhaust gas turbocharger (2) being able to be driven with the aid of an additional drive (21), and with a charge air cooler (8) in an intake line (4) of the internal combustion engine (1) for Cooling of the charge air to be supplied to the internal combustion engine (1) is arranged, and wherein the exhaust gas turbocharger (2) has a rotor (27) comprising a turbine wheel (16) which is non-rotatably connected to a compressor wheel (18) by means of a shaft (17) , wherein the turbine wheel (16) in a flowable exhaust gas guide section (5) of the exhaust gas turbocharger (2), the compressor wheel (18) in a flowable fresh air guide section (3) of the exhaust gas turbocharger (2) and the shaft (17) in a bearing section (28) of the Exhaust gas turbocharger (2) are stored. According to the invention it is provided that - a geometric compression ratio of the internal combustion engine (1) is decoupled from an effective compression ratio, the effective compression ratio being smaller than the geometric compression ratio, - exhaust gas emerging from the internal combustion engine (1) completely in the full operating range of the internal combustion engine (1) applied to the turbine wheel (16), and a boost pressure of the internal combustion engine (1) can be raised so that a pressure in the cylinder (12) corresponding at least to the geometric compression ratio is achieved with the inlet and outlet channels (13, 14) of the internal combustion engine (1) closed . The invention also relates to an exhaust gas turbocharger system (26) for, in particular, an internal combustion engine.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Abgasturboladersystem, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß Patentanspruch 11.The invention relates to a method for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger of the type specified in the preamble of
Es ist bekannt, dass insbesondere hochaufgeladene Verbrennungskraftmaschinen eine Klopfneigung aufweisen. Das heißt, dass aufgrund entsprechend hoher Temperaturen in Verbindung mit entsprechenden Drücken eine ungeregelte Verbrennung in einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine stattfindet. Dieses so genannte Klopfen kann mit Hilfe unterschiedlicher Maßnahmen vermieden werden, wobei dies jedoch üblicherweise mit einer Leistungseinbuße der Verbrennungskraftmaschine einhergeht.It is known that highly charged internal combustion engines in particular have a tendency to knock. This means that due to correspondingly high temperatures in conjunction with corresponding pressures, uncontrolled combustion takes place in a cylinder of the internal combustion engine. This so-called knocking can be avoided with the aid of various measures, but this usually goes hand in hand with a loss of performance of the internal combustion engine.
Gemäß dem Stand der Technik wird hierzu eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader ausgestattet, wobei ein den Abgasturbolader aufweisendes Abgasturboladersystem einen zusätzlichen Antrieb zur Beschleunigung eines Laufzeugs des Abgasturboladers besitzt. Zur Vermeidung einer Verschlechterung eines Ansprechverhaltens des Laufzeugs wird der Abgasturbolader in seinem Durchsatz möglichst klein ausgebildet. Damit insbesondere in mittleren und oberen Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine nicht die Gefahr eines Stopfens auftritt, wird ein Umgehungskanal des Abgasturboladers, welcher einer fluidischen Umgehung des Turbinenrades dient, geöffnet. Dies stellt eine Effizienzeinbuße der Verbrennungskraftmaschine mit dem Abgasturbolader dar, da Abgas der Verbrennungskraftmaschine ungenützt am Abgasturbolader vorbei geleitet wird.According to the prior art, an internal combustion engine is equipped with an exhaust gas turbocharger for this purpose, an exhaust gas turbocharger system having the exhaust gas turbocharger having an additional drive for accelerating a running gear of the exhaust gas turbocharger. To avoid a deterioration in the response behavior of the rotor, the exhaust gas turbocharger is designed to be as small as possible in terms of its throughput. So that there is no risk of clogging, especially in the middle and upper load ranges of the internal combustion engine, a bypass channel of the exhaust gas turbocharger, which is used to bypass the turbine wheel fluidically, is opened. This represents a loss of efficiency of the internal combustion engine with the exhaust gas turbocharger, since exhaust gas from the internal combustion engine is passed unused past the exhaust gas turbocharger.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader bereitzustellen, welches im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine die vorstehend genannten Nachteile reduziert. Eine weitere Aufgabe ist die Angabe eines insbesondere für das Verfahren geeigneten Abg astu rboladersystems.The object of the present invention is to provide a method for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger which reduces the aforementioned disadvantages during operation of the internal combustion engine. Another object is to specify an exhaust gas turbo charger system that is particularly suitable for the method.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird mit einem Abgasturboladersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 erzielt. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger with the features of
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, wobei der Abgasturbolader mit Hilfe eines zusätzlichen Antriebs angetrieben werden kann, und wobei in einem Ansaugstrang der Verbrennungskraftmaschine ein Ladeluftkühler zum Kühlen der der Verbrennungskraftmaschine zuzuführenden Ladeluft angeordnet ist. Der Abgasturbolader weist ein Laufzeug auf, welches ein Turbinenrad besitzt, das drehfest mit einem Verdichterrad mit Hilfe einer Welle verbunden ist. Das Turbinenrad ist in einem durchströmbaren Abgasführungsabschnitt des Abgasturboladers, das Verdichterrad in einem durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt des Abgasturboladers und die Welle in einem Lagerabschnitt des Abgasturboladers gelagert. Erfindungsgemäß wird ein geometrisches Verdichtungsverhältnis der Verbrennungskraftmaschine von einem effektiven Verdichtungsverhältnis entkoppelt, wobei das effektive Verdichtungsverhältnis kleiner ist als das geometrische Verdichtungsverhältnis, und aus der Verbrennungskraftmaschine austretendes Abgas beaufschlagt vollständig das Turbinenrad, und ein Ladedruck der Verbrennungskraftmaschine ist anhebbar, damit ein zumindest dem geometrischen Verdichtungsverhältnis entsprechender Druck im Zylinder bei geschlossenen Einlass- und Auslasskanälen der Verbrennungskraftmaschine erzielbar ist. Der Vorteil ist, dass mit Hilfe dieses Verfahrens eine effiziente Verbrennungskraftmaschine herbeigeführt werden kann, deren gesamter Abgasmassenstrom, oder mit anderen Worten, deren Abgas, vollständig über das Turbinenrad geführt wird. Dies ist vorgesehen im vollständigen Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine. Mit Hilfe der Anpassung des Ladedruckes der Verbrennungskraftmaschine ist es ermöglicht, auch bei einem vom Abgasturbolader bereitgestellten reduzierten Ladedruck eine bestimmte Leistung der Verbrennungskraftmaschine zu realisieren, welche einer Leistung einer gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, welche eine Klopfneigung aufweist, entspricht.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, wherein the exhaust gas turbocharger can be driven with the aid of an additional drive, and wherein a charge air cooler for cooling the charge air to be supplied to the internal combustion engine is arranged in an intake line of the internal combustion engine. The exhaust gas turbocharger has a rotor which has a turbine wheel which is connected in a rotationally fixed manner to a compressor wheel with the aid of a shaft. The turbine wheel is mounted in an exhaust gas routing section of the exhaust gas turbocharger that can be flowed through, the compressor wheel is mounted in a fresh air routing section of the exhaust gas turbocharger through which flow can flow, and the shaft in a bearing section of the exhaust gas turbocharger. According to the invention, a geometric compression ratio of the internal combustion engine is decoupled from an effective compression ratio, the effective compression ratio being smaller than the geometric compression ratio, and exhaust gas emerging from the internal combustion engine completely pressurizes the turbine wheel, and a boost pressure of the internal combustion engine can be increased so that it corresponds at least to the geometric compression ratio Pressure in the cylinder can be achieved with the inlet and outlet channels of the internal combustion engine closed. The advantage is that with the help of this method an efficient internal combustion engine can be brought about, the entire exhaust gas mass flow of which, or in other words the exhaust gas, is guided completely via the turbine wheel. This is provided in the entire operating range of the internal combustion engine. With the help of the adaptation of the boost pressure of the internal combustion engine, it is possible to realize a certain power of the internal combustion engine, even with a reduced boost pressure provided by the exhaust gas turbocharger, which corresponds to an output of an internal combustion engine designed according to the prior art, which has a knocking tendency.
Die Anpassung des Ladedruckes der Verbrennungskraftmaschine muss nicht zwingend mit Hilfe des Abgasturboladers erfolgen. Dies könnte ebenso durch einen zusätzlichen bspw. mechanischen Verdichter erfolgen.The adjustment of the boost pressure of the internal combustion engine does not necessarily have to take place with the aid of the exhaust gas turbocharger. This could also be done by an additional, for example, mechanical compressor.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Anhebung des Ladedrucks durch Anhebung einer Drehzahl der Welle, wobei die Anhebung mit Hilfe des zusätzlichen Antriebs über eine wirkverbundene Kopplung desselben mit der Welle ausgebildet wird. Somit muss keine weitere Vorrichtung zur Erzielung des vorgesehenen Ladedrucks bereit gestellt werden, sondern es kann der bereits vorgesehene zusätzliche Antrieb in besonders drehzahlreduzierten Betriebspunkten des Abgasturboladers zur Anhebung seiner Fördermenge genutzt werden.In one embodiment of the method according to the invention, the boost pressure is increased by increasing a speed of the shaft, the increase being implemented with the aid of the additional drive via an operatively connected coupling of the same to the shaft. Thus, no further device has to be provided to achieve the intended boost pressure, but the additional drive that is already provided can be used in particularly speed-reduced operating points of the exhaust gas turbocharger to increase its delivery rate.
Insbesondere ist der zusätzliche Antrieb ein Elektromotor, welcher bevorzugt zur Reduzierung einer thermischen Belastung des Antriebs zwischen dem Frischluftführungsabschnitt und dem Lagerabschnitt aufgenommen ist.In particular, the additional drive is an electric motor, which is preferably accommodated between the fresh air guide section and the bearing section in order to reduce a thermal load on the drive.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt in mittleren bis oberen Last- und Drehzahlbereichen eine Einspeisung von überschüssiger Rotationsenergie der Welle in ein energieaufnehmendes Aggregat. Der Vorteil ist, dass der zusätzliche Antrieb als Generator wirkt und insbesondere eine Batterie der Verbrennungskraftmaschine mit Energie versorgen kann, wodurch eine weiter kraftstoffreduzierte Verbrennungskraftmaschine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden kann.In a further advantageous embodiment, excess rotational energy of the shaft is fed into an energy-absorbing unit in the middle to upper load and speed ranges. The advantage is that the additional drive acts as a generator and, in particular, can supply a battery of the internal combustion engine with energy, as a result of which a further fuel-reduced internal combustion engine can be implemented with the method according to the invention.
Zur Erzielung einer möglichst hohen Ladung der Verbrennungskraftmaschine hat es sich vorteilhaft gezeigt, die vom Abgasturbolader bereitgestellte Ladeluft vor ihrem Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine zu kühlen, wobei insbesondere die Ladeluft in einem Ladeluftkühler gekühlt wird, welcher in einem Ansaugstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.To achieve the highest possible charge of the internal combustion engine, it has been shown to be advantageous to cool the charge air provided by the exhaust gas turbocharger before it enters the internal combustion engine, the charge air in particular being cooled in a charge air cooler which is arranged in an intake line of the internal combustion engine.
Schließzeiten der Einlassventile in einem Bereich zwischen 20 und 70°KW nach oder vor einem unteren Totpunkt eines Kolbens der Verbrennungskraftmaschine, haben sich als besonders günstig zur Erlangung einer effizienten Verbrennungskraftmaschine gezeigt.Closing times of the inlet valves in a range between 20 and 70 ° CA after or before a bottom dead center of a piston of the internal combustion engine have proven to be particularly favorable for achieving an efficient internal combustion engine.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich eine weitere Effizienzsteigerung der Verbrennungskraftmaschine herbeiführen durch eine Regelung einer Anströmung des Turbinenrades. Das heißt mit anderen Worten, dass der auf das Turbinenrad geführte Abgasstrom durch bevorzugt eine Regelung eines Strömungsquerschnitts stromauf des Turbinenrades, insbesondere unmittelbar vor dem Turbinenrad, hinsichtlich seines thermodynamischen Zustandes angepasst wird. Bevorzugt wird die Regelung mit Hilfe eines verstellbaren Leitapparates herbeigeführt. Der verstellbare Leitapparat zeichnet sich durch eine Mehrzahl verdrehbar über einem Umfang des Turbinenrades angeordneter Leitschaufeln aus, wodurch sich ein effektiver Strömungsquerschnitt stromauf des Turbinenrades variieren lässt.With the method according to the invention, a further increase in the efficiency of the internal combustion engine can be brought about by regulating a flow to the turbine wheel. In other words, the exhaust gas flow directed to the turbine wheel is adapted with regard to its thermodynamic state by preferably regulating a flow cross section upstream of the turbine wheel, in particular directly in front of the turbine wheel. The regulation is preferably brought about with the aid of an adjustable diffuser. The adjustable diffuser is characterized by a plurality of guide vanes arranged rotatably over a circumference of the turbine wheel, whereby an effective flow cross section can be varied upstream of the turbine wheel.
Zur weiteren Reduzierung von Emissionen und zur weiteren Effizienzsteigerung der Verbrennungskraftmaschine sieht das erfindungsgemäße Verfahren eine Abgasrückführung von aus dem Abgasführungsabschnitt strömendem Abgas vor den Frischluftführungsabschnitt vor, wobei das rückgeführte Abgas im Frischluftführungsabschnitt verdichtet und stromauf der Verbrennungskraftmaschine gekühlt wird.To further reduce emissions and further increase the efficiency of the internal combustion engine, the method according to the invention provides for exhaust gas recirculation of exhaust gas flowing from the exhaust gas routing section upstream of the fresh air routing section, the recirculated exhaust gas being compressed in the fresh air routing section and cooled upstream of the internal combustion engine.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgasturboladersystem, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, aufweisend einen umströmungsfreien Abgasturbolader umfassend einen durchströmbaren Abgasführungsabschnitt mit einem im Abgasführungsabschnitt drehbar angeordneten Turbinenrad, einen durchströmbaren Frischluftführungsabschnitt mit einem im Frischluftführungsabschnitt drehbar angeordneten Verdichterrad, und einem Lagerabschnitt, welcher eine das Turbinenrad mit dem Verdichterrad drehfest verbindende Welle drehbar aufnimmt. Zur Unterstützung einer Rotation der Welle ist ein zusätzlicher Antrieb ausgebildet. Des Weiteren ist ein Rückführkanal vorgesehen, welcher einenends stromab des Turbinenrades von einem Austrittsabschnitt des Abgasturboladersystems abzweigend und anderenends stromauf des Verdichterrades in einen Eintrittsabschnitt des Abgasturboladersystems einmündend ausgebildet ist. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Abgasturboladersystems ist darin zu sehen, dass insbesondere bei Betriebspunkten des Abgasturboladers mit einer geringen Luftfördermenge über den Abgasführungsabschnitt strömendes Abgas zumindest teilweise in den Frischluftführungsabschnitt gefördert werden kann, damit ein gewünschter Ladedruck des Abgasturboladers bereit gestellt werden kann. Dadurch ist eine das erfindungsgemäße Abgasturboladersystem aufweisende Verbrennungskraftmaschine insbesondere verbrauchs- und emissionsreduziert zu betreiben. Der Vorteil einer weiteren Verbrauchs- und Emissionsreduzierung der Verbrennungskraftmaschine ergibt sich bei einer Anordnung einer Abgasreinigungseinheit stromab des Turbinenrades im Austrittsabschnitt, da somit das rückgeführte Abgas gereinigt dem Frischluftführungsabschnitt zugeführt werden kann.A second aspect of the invention relates to an exhaust gas turbocharger system, in particular for an internal combustion engine, having an exhaust gas turbocharger free of flow, comprising a flow-through exhaust gas duct section with a turbine wheel rotatably arranged in the exhaust gas duct section, a flow-through fresh air duct section with a compressor wheel rotatably arranged in the fresh air duct section, and a bearing section which has a turbine wheel the compressor wheel rotatably connects the shaft rotatably. An additional drive is designed to support a rotation of the shaft. Furthermore, a return duct is provided, which branches off at one end downstream of the turbine wheel from an outlet section of the exhaust gas turbocharger system and at the other end upstream of the compressor wheel opens into an inlet section of the exhaust gas turbocharger system. The advantage of the exhaust gas turbocharger system according to the invention is that, particularly at operating points of the exhaust gas turbocharger with a low air flow rate, exhaust gas flowing via the exhaust gas duct section can be at least partially conveyed into the fresh air duct section so that a desired boost pressure of the exhaust gas turbocharger can be provided. As a result, an internal combustion engine having the exhaust gas turbocharger system according to the invention can be operated with reduced consumption and emissions in particular. The advantage of a further reduction in consumption and emissions of the internal combustion engine arises when an exhaust gas cleaning unit is arranged downstream of the turbine wheel in the outlet section, since the recirculated exhaust gas can thus be fed to the fresh air duct section in a purified manner.
Zur Kühlung und/oder Regelung der rückgeführten Abgasmenge ist es vorteilhaft in dem Rückführkanal nach dem Turbinenrad und vor dem Verdichterrad eine Abgaskühleinheit und/oder ein Regelelement auszubilden, wobei in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Abgasturboladersystems das Regelelement in die Abgaskühleinheit integriert ist. Somit kann ein kompaktes Abgasturboladersystem zur Verfügung gestellt werden.To cool and / or regulate the recirculated exhaust gas quantity, it is advantageous to form an exhaust gas cooling unit and / or a control element in the return duct after the turbine wheel and upstream of the compressor wheel, the control element being integrated into the exhaust gas cooling unit in a further advantageous embodiment of the exhaust gas turbocharger system. A compact exhaust gas turbocharger system can thus be made available.
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 der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:
-
1 in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader gemäß dem Stand der Technik, und -
2 in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine mit einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader.
-
1 in a schematic representation an internal combustion engine with an electrically assisted exhaust gas turbocharger according to the prior art, and -
2 in a schematic representation an internal combustion engine according to the invention with an electrically assisted exhaust gas turbocharger.
Eine Verbrennungskraftmaschine mit einem gemäß dem Stand der Technik ausgebildeten Abgasturboladersystem
Der Frischluftführungsabschnitt
Die Verbrennungskraftmaschine
Jedem Einlasskanal
Ein im Abgasführungsabschnitt
Das Turbinenrad
Der Abgasführungsabschnitt
Damit in sämtlichen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine
Die gemäß
Es ist weiter ein Rückführkanal
Aufgrund des im Vergleich zum so genannten Wastegatelader des Abgasturboladersystems
Das erfindungsgemäße Verfahren, welches für die Verbrennungskraftmaschine
Mit Hilfe der Entkopplung kann eine Reduzierung einer während eines Arbeitszyklus auftretenden Verbrennungstemperatur der Ladung erzielt werden, so dass bspw. unkontrollierten Verbrennungen, die zu einem so genannten Klopfen führen können, unterbunden sind. Damit jedoch keine Verluste bezüglich des Drehmomentes, resp. der Leistung der Verbrennungskraftmaschine
Da die Steigerung der Drehzahl der Welle
Da der Abgasturbolader
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