DE102019206104A1 - Supercharged internal combustion engine with exhaust gas recirculation and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents

Supercharged internal combustion engine with exhaust gas recirculation and method for operating such an internal combustion engine Download PDF

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Hanno Friederichs
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit- einer Flüssigkeitskühlung (10) umfassend einen - ein Kühlmittel führenden - Kühlmittelkreislauf (10a),- einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft,- einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas,- mindestens einem zur Kompression der Ladeluft im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (4), der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst,- einer Abgasrückführung (6) umfassend eine Rückführleitung (6a), die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (6') in das Ansaugsystem (2) mündet, und- einem Wärmetauscher (7), der stromaufwärts des ersten Knotenpunktes (6') im Ansaugsystem (2) angeordnet und in den Kühlmittelkreislauf (10a) eingebunden ist und einem Wärmeübergang zwischen der Ladeluft und dem Kühlmittel dient.Es soll eine Brennkraftmaschine der genannten Art bereitgestellt werden, mit der einer Kondensatbildung im Ansaugsystem (2) entgegengewirkt werden kann.Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine, die dadurch gekennzeichnet ist, dass stromaufwärts des Wärmetauschers (7) eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung (11) im Kühlmittelkreislauf (10a) angeordnet ist.The invention relates to a supercharged internal combustion engine (1) with a liquid cooling system (10) comprising a coolant circuit (10a) that carries a coolant, an intake system (2) for supplying charge air, - an exhaust gas discharge system (3) for discharging exhaust gas, - At least one compressor (4) which is arranged to compress the charge air in the intake system (2) and comprises at least one impeller mounted in a compressor housing on a rotatable shaft and equipped with rotor blades, - an exhaust gas recirculation system (6) including a return line (6a) which upstream of the at least one compressor impeller with the formation of a first node (6 ') opens into the intake system (2), and - a heat exchanger (7) which is arranged upstream of the first node (6') in the intake system (2) and enters the coolant circuit ( 10a) is incorporated and a heat transfer between the charge air and the coolant is used. It should be an internal combustion engine of the type mentioned This is achieved by an internal combustion engine, which is characterized in that an electrically operated heating device (11) is arranged in the coolant circuit (10a) upstream of the heat exchanger (7), with which the formation of condensate in the intake system (2) can be counteracted.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

  • - einer Flüssigkeitskühlung umfassend einen - ein Kühlmittel führenden - Kühlmittelkreislauf,
  • - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
  • - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
  • - mindestens einem zur Kompression der Ladeluft im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst,
  • - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
  • - einem Wärmetauscher, der stromaufwärts des ersten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet und in den Kühlmittelkreislauf eingebunden ist und einem Wärmeübergang zwischen der Ladeluft und dem Kühlmittel dient.
The invention relates to a supercharged internal combustion engine
  • - a liquid cooling system comprising a - a coolant carrying - coolant circuit,
  • - an intake system for supplying charge air,
  • - an exhaust gas removal system for removing exhaust gas,
  • - At least one compressor arranged for compressing the charge air in the intake system, comprising at least one impeller which is mounted in a compressor housing on a rotatable shaft and equipped with rotor blades,
  • an exhaust gas recirculation system comprising a recirculation line which opens into the intake system upstream of the at least one compressor impeller, forming a first junction, and
  • - A heat exchanger, which is arranged upstream of the first node in the intake system and integrated into the coolant circuit and serves to transfer heat between the charge air and the coolant.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.The invention also relates to a method for operating such an internal combustion engine.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, d.h. Brennkraftmaschinen, die mit einem Hybrid-Brennverfahren betrieben werden, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine mindestens eine weitere Drehmoment-Quelle zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges umfassen, beispielsweise eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare bzw. antriebsverbundene Elektromaschine, welche anstelle der Brennkraftmaschine oder zusätzlich zur Brennkraftmaschine Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine relates to diesel engines and Otto engines, but also to hybrid internal combustion engines, i.e. Internal combustion engines that are operated with a hybrid internal combustion process, as well as hybrid drives that, in addition to the internal combustion engine, comprise at least one further torque source for driving a motor vehicle, for example an electric machine that can be drive-connected or drive-connected to the internal combustion engine, which instead of the internal combustion engine or in addition to Internal combustion engine outputs power.

Moderne Brennkraftmaschinen sind in der Regel thermisch höher belastet und stellen daher auch erhöhte Anforderungen an die Kühlung, insbesondere wenn der Zylinderkopf mit einem integrierten Abgaskrümmer ausgestattet ist und/oder die Brennkraftmaschine eine aufgeladene Brennkraftmaschine ist.Modern internal combustion engines are usually subjected to higher thermal loads and therefore also place increased demands on cooling, especially if the cylinder head is equipped with an integrated exhaust manifold and / or the internal combustion engine is a supercharged internal combustion engine.

Verfügt die Brennkraftmaschine über eine Flüssigkeitskühlung, werden im Zylinderkopf und/oder Zylinderblock regelmäßig mehrere Kühlmittelkanäle ausgebildet bzw. mindestens ein Kühlmittelmantel, der das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock hindurchführt.If the internal combustion engine has liquid cooling, a plurality of coolant ducts are regularly formed in the cylinder head and / or cylinder block, or at least one coolant jacket that guides the coolant through the cylinder head or cylinder block.

Bei der Entwicklung von Brennkraftmaschinen ist man ständig bemüht, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Zudem wird eine Reduzierung der Schadstoffemissionen angestrebt, um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einhalten zu können.In the development of internal combustion engines, constant efforts are made to minimize fuel consumption. In addition, a reduction in pollutant emissions is sought in order to be able to comply with future limit values for pollutant emissions.

Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.Internal combustion engines are increasingly being equipped with a supercharger, the supercharging primarily being a process for increasing performance in which the charge air required for the engine combustion process is compressed, so that a larger charge air mass can be supplied to each cylinder per work cycle. This allows the fuel mass and thus the mean pressure to be increased.

Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.Supercharging is a suitable means of increasing the output of an internal combustion engine with unchanged cubic capacity or reducing the cubic capacity with the same output. In any case, the charging leads to an increase in the installation space performance and a more favorable power mass. If the displacement is reduced, the load spectrum can be shifted towards higher loads, at which the specific fuel consumption is lower. By means of supercharging in combination with a suitable gear design, so-called downspeeding can also be achieved, in which a lower specific fuel consumption can also be achieved.

Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d.h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Supercharging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, i. to improve the efficiency of the internal combustion engine.

Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in der Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.Often an exhaust gas turbocharger is used for charging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust gas flow is fed to the turbine and relaxes with the release of energy in the turbine, causing the shaft to rotate. The energy released by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also located on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, as a result of which the cylinders are charged.

Vorteilhafterweise wird ein Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem vorgesehen, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d.h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt eine Verdichtung durch Kühlung.A charge air cooler is advantageously provided downstream of the compressor in the intake system, with which the compressed charge air is cooled before it enters the at least one cylinder. The cooler lowers the temperature and thus increases the density of the charge air, so that the cooler also closes a better filling of the cylinder, ie to a larger air mass contributes. There is a compression by cooling.

Der Vorteil eines Abgasturboladers im Vergleich zu einem - mechanischen - Lader besteht darin, dass ein Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase nutzt, während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb erforderliche Energie direkt oder indirekt von der Brennkraftmaschine bezieht und damit, zumindest solange die Antriebsenergie nicht aus einer Energierückgewinnung stammt, den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, d.h. mindert. In der Regel ist eine mechanische Verbindung, wie beispielsweise ein Zugmitteltrieb, zur Leistungsübertragung zwischen dem Lader und der Brennkraftmaschine erforderlich.The advantage of an exhaust gas turbocharger compared to a - mechanical - charger is that an exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases, while a mechanical charger draws the energy required for its drive directly or indirectly from the internal combustion engine and thus, at least as long as the drive energy does not originates from energy recovery, adversely affects the efficiency, ie diminishes. As a rule, a mechanical connection, such as a traction drive, is required for power transmission between the charger and the internal combustion engine.

Der Vorteil eines mechanischen Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der mechanische Lader in der Regel den angeforderten Ladedruck unabhängig vom momentanen Betriebszustand der Brennkraftmaschine generieren und zur Verfügung stellen kann, insbesondere auch bei niedrigen Drehzahlen der Kurbelwelle. Der Vorteil eines Laders gegenüber einem Abgasturbolader besteht darin, dass der Lader stets den angeforderten Ladedruck generieren und zur Verfügung stellen kann und zwar unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Das gilt insbesondere für einen Lader, der mittels Elektromaschine elektrisch antreibbar und daher unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle ist.The advantage of a mechanical supercharger compared to an exhaust gas turbocharger is that the mechanical supercharger can generally generate and provide the required boost pressure regardless of the current operating state of the internal combustion engine, in particular even at low speeds of the crankshaft. The advantage of a charger over an exhaust gas turbocharger is that the charger can always generate and provide the requested boost pressure, regardless of the operating state of the internal combustion engine. This applies in particular to a charger that can be driven electrically by means of an electric machine and is therefore independent of the speed of the crankshaft.

Nach dem Stand der Technik bereitet es nämlich Schwierigkeiten, die Leistung mittels Abgasturboaufladung in allen Drehzahlbereichen zu steigern. Es wird ein stärkerer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis, weshalb das Ladedruckverhältnis zu niedrigeren Drehzahlen hin ebenfalls abnimmt. Dies ist gleichbedeutend mit einem Drehmomentabfall.According to the prior art, it is difficult to increase the performance by means of exhaust gas turbocharging in all speed ranges. A greater drop in torque is observed when the speed falls below a certain level. This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. If the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio, which is why the boost pressure ratio also decreases towards lower speeds. This is equivalent to a torque drop.

Die aufgeladene Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt zwecks Aufladung über mindestens einen Verdichter, welcher ein mechanischer Lader, ein elektrischer Lader oder der Verdichter eines Abgasturboladers sein kann.The supercharged internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least one compressor for the purpose of supercharging, which can be a mechanical charger, an electric charger or the compressor of an exhaust gas turbocharger.

Probleme können sich stromaufwärts des Verdichters ergeben, insbesondere, wenn die Brennkraftmaschine mit einer Abgasrückführung ausgestattet ist, bei der das Abgas stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingeleitet wird. Es kann sich nämlich Kondensat bilden. Dabei sind mehrere Szenarien zu berücksichtigen.Problems can arise upstream of the compressor, especially if the internal combustion engine is equipped with exhaust gas recirculation, in which the exhaust gas is introduced into the intake system upstream of the compressor. This is because condensate can form. There are several scenarios to consider.

Zum einen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas mit kühler Frischluft zusammentrifft und gemischt wird. Das Abgas kühlt sich ab, wohingegen die Temperatur der Frischluft angehoben wird. Die Temperatur der Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas, d.h. die Ladelufttemperatur, liegt unterhalb der Abgastemperatur des rückgeführten Abgases. Im Rahmen der Abkühlung des Abgases können zuvor noch gasförmig im Abgas enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird.On the one hand, condensate can form when recirculated hot exhaust gas meets cool fresh air and is mixed. The exhaust gas cools down, whereas the temperature of the fresh air is raised. The temperature of the mixture of fresh air and recirculated exhaust gas, i.e. the charge air temperature is below the exhaust gas temperature of the recirculated exhaust gas. As part of the cooling of the exhaust gas, liquids previously contained in gaseous form in the exhaust gas, in particular water, can condense out if the temperature of a component of the gaseous charge air flow falls below the dew temperature.

Es kommt zu einer Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung, wobei häufig Verunreinigungen in der Ladeluft den Ausgangspunkt für die Bildung von Kondensattröpfchen bilden.Condensation forms in the free flow of charge air, with impurities in the charge air frequently forming the starting point for the formation of condensate droplets.

Zum anderen kann sich Kondensat bilden, wenn rückgeführtes heißes Abgas bzw. die Ladeluft auf die Innenwandung des Ansaugsystems bzw. auf die Innenwandung des Verdichtergehäuses trifft, da die Wandtemperatur in der Regel unterhalb der Tautemperatur der relevanten gasförmigen Komponenten liegt.On the other hand, condensate can form when recirculated hot exhaust gas or the charge air hits the inner wall of the intake system or the inner wall of the compressor housing, since the wall temperature is usually below the dew temperature of the relevant gaseous components.

Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft zwangsläufig zunehmen, insbesondere der Anteil des im Abgas enthaltenen Wassers. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge häufig begrenzt, um das Auskondensieren zu unterbinden bzw. zu vermindern. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR einerseits und die für eine deutliche Absenkung der Stickoxidemissionen erforderlichen hohen Abgasrückführraten andererseits führen zu unterschiedlichen Zielsetzungen bei der Bemessung der rückgeführten Abgasmenge. Die gesetzlichen Anforderungen an die Reduzierung der Stickoxidemissionen verdeutlichen die hohe Relevanz dieses Problems für die Praxis.The problem described above is exacerbated as the recirculation rate increases, since the proportions of the individual exhaust gas components in the charge air inevitably increase with the increase in the amount of recirculated exhaust gas, in particular the proportion of the water contained in the exhaust gas. According to the prior art, the amount of exhaust gas recirculated by means of the low-pressure EGR is therefore often limited in order to prevent or reduce the condensation. The necessary limitation of the low-pressure EGR on the one hand and the high exhaust gas recirculation rates required for a significant reduction in nitrogen oxide emissions on the other hand lead to different objectives when measuring the amount of recirculated exhaust gas. The legal requirements for the reduction of nitrogen oxide emissions illustrate the high relevance of this problem in practice.

Darüber hinaus gewinnt das Problem der Kondensatbildung mit abnehmender Umgebungstemperatur an Relevanz. Je niedriger die Umgebungstemperatur ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Kondensatbildung und desto mehr Kondensat wird gebildet. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die vom Gesetzgeber vorgeschlagenen Testzyklen unter realen Bedingungen von Bedeutung.In addition, the problem of condensate formation becomes more relevant as the ambient temperature falls. The lower the ambient temperature, the higher the probability of condensation and the more condensation will be formed. This is particularly important with regard to the test cycles proposed by the legislator under real conditions.

Die vorstehend in Zusammenhang mit der Rückführung heißen Abgases beschriebenen Effekte gelten in analoger Weise auch für den Entlüftungsstrom, welcher üblicherweise dem Kurbelgehäuse entnommen und in das Ansaugsystem stromaufwärts des Verdichters eingeleitet wird.The effects described above in connection with the recirculation of hot exhaust gas also apply in an analogous manner to the venting flow, which is usually taken from the crankcase and introduced into the intake system upstream of the compressor.

Kondensat und Kondensattröpfchen sind unerwünscht und führen zu einer erhöhten Geräuschemission im Ansaugsystem, gegebenenfalls zur Beschädigung der Schaufeln des mindestens einen Verdichterlaufrades. Letzteres ist mit einer Verminderung des Wirkungsgrades des Verdichters verbunden.Condensate and condensate droplets are undesirable and lead to increased noise emissions in the intake system, possibly damaging the blades of the at least one compressor impeller. The latter is associated with a reduction in the efficiency of the compressor.

Die US 8,297,922 B1 beschreibt eine Haube, die das Laufrad des Verdichters vor Beschädigung und Ablagerungen schützen soll. Die Haube stellt ein zusätzliches Gewicht dar, das mit dem rotierenden Laufrad des Verdichters umläuft, wobei entsprechend hohe Kräfte an der Verdichterwelle und im Lager angreifen. Da die schwere Haube zudem mit dem rotierenden Laufrad des Verdichters zu beschleunigen und zu verzögern ist, verschlechtert sich das Ansprechverhalten des Verdichters in nicht unerheblicher Weise.The US 8,297,922 B1 describes a hood that is intended to protect the compressor impeller from damage and deposits. The hood represents an additional weight that rotates with the rotating impeller of the compressor, with correspondingly high forces acting on the compressor shaft and in the bearing. Since the heavy hood must also be accelerated and decelerated with the rotating impeller of the compressor, the response behavior of the compressor deteriorates in a not inconsiderable way.

Das Laufrad des Verdichters kann auch beschichtet bzw. oberflächenbehandelt, insbesondere gehärtet werden.The impeller of the compressor can also be coated or surface-treated, in particular hardened.

Alternativ wird der Verdichter nach dem Stand der Technik mit einer Heizeinrichtung ausgestattet, mit der die Temperatur der Innenwandung des Verdichtergehäuses erhöht werden kann. Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. an der Innenwandung des Verdichtergehäuses kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden. Dabei handelt es sich um ein aufwendiges und kostenintensives Konzept.Alternatively, according to the prior art, the compressor is equipped with a heating device with which the temperature of the inner wall of the compressor housing can be increased. The formation of condensation on the inner wall of the intake system or on the inner wall of the compressor housing can be avoided or reduced in this way. This is a complex and cost-intensive concept.

Ein anderes Konzept aus dem Stand der Technik sieht vor, einen Wärmetauscher stromaufwärts des Verdichters im Ansaugsystem anzuordnen. Der Wärmetauscher wird in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine eingebunden, so dass mittels erwärmtem Kühlmittel Wärme in die kühlere Ladeluft eingetragen werden kann. Nachteilig an diesem Konzept ist, dass ein Erwärmen der Ladeluft mittels Kühlmittel nicht nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine möglich ist, da das Kühlmittel nach einem Kaltstart selbst die für eine Erwärmung der Ladeluft erforderliche höhere Temperatur regelmäßig nicht aufweist, insbesondere nicht bei niedrigen Umgebungstemperaturen.Another concept from the prior art provides for a heat exchanger to be arranged upstream of the compressor in the intake system. The heat exchanger is integrated into the coolant circuit of the internal combustion engine so that heat can be introduced into the cooler charge air by means of heated coolant. The disadvantage of this concept is that it is not possible to heat the charge air using coolant after a cold start of the internal combustion engine, since after a cold start the coolant itself usually does not have the higher temperature required to heat the charge air, especially not at low ambient temperatures.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der einer Kondensatbildung im Ansaugsystem entgegengewirkt werden kann.Against this background, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of claim 1, with which the disadvantages known from the prior art are overcome and with which condensate formation in the intake system can be counteracted.

Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.Another sub-object of the present invention is to provide a method for operating such an internal combustion engine.

Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

  • - einer Flüssigkeitskühlung umfassend einen - ein Kühlmittel führenden - Kühlmittelkreislauf,
  • - einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft,
  • - einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas,
  • - mindestens einem zur Kompression der Ladeluft im Ansaugsystem angeordneten Verdichter, der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst,
  • - einer Abgasrückführung umfassend eine Rückführleitung, die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes in das Ansaugsystem mündet, und
  • - einem Wärmetauscher, der stromaufwärts des ersten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet und in den Kühlmittelkreislauf eingebunden ist und einem Wärmeübergang zwischen der Ladeluft und dem Kühlmittel dient,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass
  • - stromaufwärts des Wärmetauschers eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist.
The first sub-task is also solved by a supercharged internal combustion engine
  • - a liquid cooling system comprising a - a coolant carrying - coolant circuit,
  • - an intake system for supplying charge air,
  • - an exhaust gas removal system for removing exhaust gas,
  • - At least one compressor arranged for compressing the charge air in the intake system, comprising at least one impeller which is mounted in a compressor housing on a rotatable shaft and equipped with rotor blades,
  • an exhaust gas recirculation system comprising a recirculation line which opens into the intake system upstream of the at least one compressor impeller, forming a first junction, and
  • - a heat exchanger, which is arranged upstream of the first node in the intake system and integrated into the coolant circuit and serves to transfer heat between the charge air and the coolant,
which is characterized in that
  • - An electrically operated heating device is arranged in the coolant circuit upstream of the heat exchanger.

Erfindungsgemäß ist die Flüssigkeitskühlung der Brennkraftmaschine mit einer elektrisch betriebenen Heizeinrichtung ausgestattet, die stromaufwärts des Wärmetauschers im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist und mit der - im Bedarfsfall - die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in den Wärmetauscher erhöht werden kann, beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine oder niedriger Umgebungstemperatur. Mittels Heizeinrichtung kann die Kühlmitteltemperatur über die Ladelufttemperatur, d.h. die Temperatur der Umgebungsluft hinaus angehoben werden, so dass unter Verwendung des erwärmten Kühlmittels Wärme in die Ladeluft beim Durchströmen des Wärmetauschers eingetragen werden kann.According to the invention, the liquid cooling of the internal combustion engine is equipped with an electrically operated heating device which is arranged upstream of the heat exchanger in the coolant circuit and with which - if necessary - the temperature of the coolant can be increased before it enters the heat exchanger, for example when the internal combustion engine is cold started or the ambient temperature is low . The coolant temperature can be adjusted by means of the heating device via the charge air temperature, i. the temperature of the ambient air can also be raised, so that using the heated coolant, heat can be introduced into the charge air as it flows through the heat exchanger.

Eine Kondensatbildung an der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. des Verdichtergehäuses sowie eine Kondensatbildung in der freien Ladeluftströmung kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.A formation of condensate on the inner wall of the intake system or the compressor housing as well as a formation of condensate in the free charge air flow can be avoided or reduced in this way.

Mit dem Unterbinden der Bildung von Kondensat im Ansaugsystem und im Eintrittsbereich des Verdichters entfällt eine erhöhte Geräuschemission infolge von Kondensattröpfchen. Die Gefahr einer Beschädigung der Laufradschaufeln des mindestens einen Verdichters wird eliminiert.By preventing the formation of condensate in the intake system and in the inlet area of the compressor, there is no increased noise emission due to condensate droplets. The risk of damage to the impeller blades of the at least one compressor is eliminated.

Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der einer Kondensatbildung im Ansaugsystem entgegengewirkt werden kann.With the internal combustion engine according to the invention, the first object on which the invention is based is achieved, namely an internal combustion engine according to the preamble of claim 1 with which the disadvantages known from the prior art are overcome and with which the formation of condensation in the intake system can be counteracted.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betreffen niedrige Umgebungstemperaturen insbesondere Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes, beispielsweise minus 7° C.In the context of the present invention, low ambient temperatures relate in particular to temperatures below freezing point, for example minus 7 ° C.

Eine elektrische Heizeinrichtung kann jederzeit aktiviert und eingesetzt werden, um das Kühlmittel durch Wärmezufuhr zu erwärmen. Eine Versorgung dieser elektrischen Heizeinrichtung mit Energie kann unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine beispielsweise mittels der Bordbatterie eines Fahrzeuges erfolgen.An electrical heating device can be activated and used at any time to heat the coolant by supplying heat. This electrical heating device can be supplied with energy independently of the operating state of the internal combustion engine, for example by means of the on-board battery of a vehicle.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine are discussed in connection with the subclaims.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the return line branches off from the exhaust gas discharge system with the formation of a second junction.

Die Abgasrückführung kann vorliegend beispielsweise eine Hochdruck-AGR sein, die stromaufwärts der Turbine eines Abgasturboladers Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und in das Ansaugsystem einleitet, oder eine Niederdruck-AGR, die Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Eine Niederdruck-AGR umfasst eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.In the present case, the exhaust gas recirculation can be, for example, a high-pressure EGR that takes exhaust gas from the exhaust gas removal system upstream of the turbine of an exhaust gas turbocharger and introduces it into the intake system, or a low-pressure EGR that recirculates exhaust gas to the inlet side that has already flowed through the turbine. A low-pressure EGR comprises a return line, which branches off from the exhaust gas removal system downstream of the turbine and opens into the intake system upstream of the compressor.

Der wesentliche Vorteil der Niederdruck-AGR gegenüber der Hochdruck-AGR ist, dass der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom im Falle einer Abgasrückführung nicht um die rückgeführte Abgasmenge vermindert wird. Es steht immer der gesamte Abgasstrom an der Turbine zur Generierung eines ausreichend hohen Ladedrucks zur Verfügung.The main advantage of low-pressure EGR compared to high-pressure EGR is that the exhaust gas flow introduced into the turbine is not reduced by the amount of exhaust gas that is recirculated in the event of exhaust gas recirculation. The entire exhaust gas flow is always available at the turbine to generate a sufficiently high boost pressure.

Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte und im Einzelfall gekühlte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und komprimiert wird.The exhaust gas, which is returned to the inlet side by means of low-pressure EGR and, in individual cases, cooled, is mixed with fresh air upstream of the compressor. The mixture of fresh air and recirculated exhaust gas produced in this way forms the charge air, which is fed to the compressor and compressed.

Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch die Verdichter hindurchgeführt wird, da vorzugsweise Abgas verwendet wird, welches stromabwärts der Turbine einer Abgasnachbehandlung, insbesondere in einem Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.It is harmless here that, as part of the low-pressure EGR, exhaust gas is passed through the compressor, since exhaust gas is preferably used which has been subjected to exhaust gas aftertreatment, in particular in a particle filter, downstream of the turbine. Deposits in the compressor which change the geometry of the compressor, in particular the flow cross-sections and in this way impair the efficiency of the compressor, are therefore not to be feared.

Eine Kondensatbildung kann erfindungsgemäß vermieden bzw. vermindert werden. Insofern ist eine Begrenzung einer mittels Niederdruck-AGR rückgeführten Abgasmenge nicht erforderlich, so dass hohe Rückführraten mittels Niederdruck-AGR realisiert werden können, um die Stickoxidemissionen deutlich zu reduzieren.According to the invention, condensation can be avoided or reduced. In this respect, it is not necessary to limit the amount of exhaust gas recirculated by means of low-pressure EGR, so that high recirculation rates can be achieved by means of low-pressure EGR in order to significantly reduce nitrogen oxide emissions.

Nichtsdestotrotz kann neben der Niederdruck-AGR zusätzlich eine Hochdruck-AGR zum Einsatz kommen, bei der stromaufwärts der Turbine eines Abgasturboladers Abgas aus dem Abgasabführsystem entnommen und in das Ansaugsystem stromabwärts oder stromaufwärts des Verdichters eingeleitet wird.Nonetheless, in addition to the low-pressure EGR, a high-pressure EGR can also be used, in which exhaust gas is removed from the exhaust gas discharge system upstream of the turbine of an exhaust gas turbocharger and introduced into the intake system downstream or upstream of the compressor.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zwischen dem Wärmetauscher und der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung kein Verbraucher im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist. Verbraucher im vorliegenden Sinne ist ein Aggregat, welches zur Aufrechterhaltung seiner Funktion einen Wärmeeintrag benötigt, beispielsweise eine Fahrzeuginnenraumheizung oder eine Ölheizung. Insofern ist ein Absperrelement, beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil, kein Verbraucher.Embodiments of the charged internal combustion engine are advantageous in which no consumer is arranged in the coolant circuit between the heat exchanger and the electrically operated heating device. A consumer in the present sense is a unit that requires a heat input to maintain its function, for example a vehicle interior heater or an oil heater. In this respect, a shut-off element, for example a flap or a valve, is not a consumer.

Ein Verbraucher würde dem Kühlmittel vor Eintritt in den Wärmetauscher Wärme entziehen und auf die Weise den Wärmeübergang vom Kühlmittel auf die Ladeluft mindern.A consumer would extract heat from the coolant before it enters the heat exchanger and in this way reduce the heat transfer from the coolant to the charge air.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Luftreinigungseinrichtung stromaufwärts des ersten Knotenpunktes im Ansaugsystem angeordnet ist. Eine Luftreinigungseinrichtung filtert Partikel und Fremdkörper aus dem Ladeluftstrom, wodurch nicht nur Verunreinigungen, sondern auch Beschädigungen im stromabwärts gelegenen Ansaugsystem, dem mindestens einen Verdichter sowie der Brennkraftmaschine verhindert werden können.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which an air cleaning device is arranged upstream of the first node in the intake system. An air cleaning device filters particles and foreign bodies from the charge air flow, whereby not only contamination but also damage to the downstream intake system, the at least one compressor and the internal combustion engine can be prevented.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Luftreinigungseinrichtung und der Wärmetauscher als ein gemeinsames integratives Bauteil ausgebildet sind. Sowohl die Luftreinigungseinrichtung als auch der Wärmetauscher profitieren von einer möglichst großen Fläche bzw. Oberfläche. Bei der Luftreinigungseinrichtung stellt eine große Filterfläche einen ausreichend großen Ladeluftstrom bei geringem Druckverlust sicher. Beim Wärmetauscher erhöht sich die übertragbare Wärmemenge je größer die wärmeübertragende Fläche ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the air cleaning device and the heat exchanger are designed as a common, integrative component. Both the air cleaning device and the heat exchanger benefit from the largest possible area or surface. With the air cleaning device, a large filter surface ensures a sufficiently large charge air flow with a low pressure loss. In the case of a heat exchanger, the amount of heat that can be transferred increases the larger the heat transfer area.

Ein die Luftreinigungseinrichtung und den Wärmetauscher umfassendes integratives Bauteil kann als vormontierte Baugruppe zur Verfügung gestellt werden und trägt zu einem effektiveren Packaging im Motorraum bei.An integrative component comprising the air cleaning device and the heat exchanger can be made available as a preassembled assembly and contributes to more effective packaging in the engine compartment.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter im Wesentlichen axial erfolgt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the at least one compressor has an inlet area which runs coaxially to the shaft of the compressor and is designed so that the charge air flows to the compressor essentially axially.

Bei einer axialen Anströmung des Verdichters entfällt häufig eine Umlenkung bzw. Richtungsänderung der Ladeluftströmung im Ansaugsystem stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades, wodurch unnötige Druckverluste in der Ladeluftströmung infolge Strömungsumlenkung vermieden werden und der Druck der Ladeluft am Eintritt in den Verdichter des Abgasturboladers erhöht wird. Die fehlende Richtungsänderung vermindert auch den Kontakt des Abgases bzw. der Ladeluft mit der Innenwandung des Ansaugsystems bzw. mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses und reduziert damit den Wärmeübergang und die Kondensatbildung.In the case of an axial flow towards the compressor, there is often no need to deflect or change direction of the charge air flow in the intake system upstream of the at least one compressor impeller, which avoids unnecessary pressure losses in the charge air flow due to flow deflection and increases the pressure of the charge air at the inlet to the compressor of the exhaust gas turbocharger. The lack of a change in direction also reduces the contact of the exhaust gas or the charge air with the inner wall of the intake system or with the inner wall of the compressor housing and thus reduces the heat transfer and the formation of condensate.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine im Ansaugsystem angeordnete Verdichter zu einem Abgasturbolader gehört, der eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfasst.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the at least one compressor arranged in the intake system belongs to an exhaust gas turbocharger which comprises a turbine arranged in the exhaust gas discharge system and a compressor arranged in the intake system.

Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie gestattet eine weitergehende Anpassung an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine durch Verstellen der Turbinengeometrie bzw. des wirksamen Turbinenquerschnittes, wobei in einem gewissen Umfang eine drehzahlabhängige bzw. lastabhängige Regelung der Turbinengeometrie erfolgen kann.A turbine with variable turbine geometry allows further adaptation to the respective operating point of the internal combustion engine by adjusting the turbine geometry or the effective turbine cross-section, whereby to a certain extent a speed-dependent or load-dependent regulation of the turbine geometry can take place.

Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch mehrere Turbolader verbessert werden. Zusätzlich zu einem Abgasturbolader kann grundsätzlich auch ein mechanischer bzw. elektrischer Lader vorgesehen werden. Die Vorteile sind die oben bereits Genannten.The torque characteristics of a supercharged internal combustion engine can be improved by using several turbochargers. In addition to an exhaust gas turbocharger, a mechanical or electrical charger can in principle also be provided. The advantages are those already mentioned above.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Rückführleitung stromabwärts der Turbine des Abgasturboladers unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt. Die Vorteile sind die im Zusammenhang mit der Beschreibung der Niederdruck-AGR bereits Genannten.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the return line branches off from the exhaust gas discharge system downstream of the turbine of the exhaust gas turbocharger, forming a second junction. The advantages are those already mentioned in connection with the description of the low-pressure EGR.

Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des zweiten Knotenpunktes ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem angeordnet ist.In this context, embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which a first shut-off element is arranged in the exhaust gas discharge system downstream of the second junction.

Die Rückführleitung zweigt dabei zwischen der Turbine und dem ersten Absperrelement vom Abgasabführsystem ab. Das erste Absperrelement kann dazu verwendet werden, den Abgasdruck stromaufwärts im Abgasabführsystem zu steigern, und damit zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen bzw. genutzt werden. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.The return line branches off from the exhaust gas discharge system between the turbine and the first shut-off element. The first shut-off element can be used to increase the exhaust gas pressure upstream in the exhaust gas discharge system, and thus contribute to or be used to increase the pressure gradient between the exhaust gas discharge system and the intake system. This is particularly advantageous in the case of high return rates, which require a greater pressure gradient.

Vorteilhaft sind ebenfalls Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromaufwärts des ersten Knotenpunktes ein zweites Absperrelement im Ansaugsystem angeordnet ist.Embodiments of the charged internal combustion engine are also advantageous in which a second shut-off element is arranged in the intake system upstream of the first node.

Das zweite Absperrelement dient einlassseitig zur Reduzierung des Drucks im Ansaugsystem und kann damit - wie das erste Absperrelement - zu einer Erhöhung des Druckgefälles zwischen dem Abgasabführsystem und dem Ansaugsystem beitragen.The second shut-off element serves to reduce the pressure in the intake system on the inlet side and can thus - like the first shut-off element - contribute to an increase in the pressure gradient between the exhaust gas discharge system and the intake system.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das erste und/oder zweite Absperrelement eine verschwenkbare Klappe ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which the first and / or second shut-off element is a pivotable flap.

Vorteilhaft können Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen in der Rückführleitung ein AGR-Kühler angeordnet ist. Das Kühlen des rückgeführten Abgases empfiehlt sich insbesondere bei großen rückzuführenden Abgasmengen bzw. hohen Rückführraten.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which an EGR cooler is arranged in the return line can be advantageous. The cooling of the recirculated exhaust gas is particularly recommended in the case of large amounts of exhaust gas to be recirculated or high recirculation rates.

Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Rückführleitung ein AGR-Ventil angeordnet ist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine are advantageous in which an EGR valve is arranged in the return line.

Ein AGR-Ventil dient der Einstellung der rückgeführten Abgasmenge. Vorteilhaft sind insbesondere Ausführungsformen, bei denen das AGR-Ventil am ersten Knotenpunkt angeordnet ist. Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das AGR-Ventil ein kombiniertes Ventil ist, mit dem sich sowohl die Menge rückgeführten Abgases als auch die Frischluftmenge einstellen lässt.An EGR valve is used to adjust the amount of recirculated exhaust gas. Embodiments in which the EGR valve is arranged at the first node are particularly advantageous. Embodiments are particularly advantageous which are characterized in that the EGR valve is a combined valve with which both the amount of recirculated exhaust gas and the amount of fresh air can be adjusted.

Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine einer vorstehend beschriebenen Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektrisch betriebene Heizeinrichtung aktiviert wird, um die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in den Wärmetauscher zu erhöhen und unter Verwendung des erwärmten Kühlmittels Wärme in die Ladeluft einzubringen und die Ladelufttemperatur auf diese Weise zu erhöhen.The second sub-task on which the invention is based, namely to show a method for operating a supercharged internal combustion engine of the type described above, is achieved by a method which is characterized in that the electrically operated heating device is activated in order to increase the temperature of the coolant before it enters the To increase the heat exchanger and to introduce heat into the charge air using the heated coolant and to increase the charge air temperature in this way.

Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend hinsichtlich der aufgeladenen Brennkraftmaschine gemachten Ausführungen. Die verschiedenen Brennkraftmaschinen erfordern teils unterschiedliche Verfahrensvarianten.What has already been said for the internal combustion engine according to the invention also applies to the method according to the invention, which is why reference is generally made at this point to the statements made above with regard to the charged internal combustion engine. The various internal combustion engines sometimes require different process variants.

Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die elektrisch betriebene Heizeinrichtung aktiviert wird, falls eine Kondensatbildung im Ansaugsystem erwartet wird.Process variants are advantageous in which the electrically operated heating device is activated if condensation is expected in the intake system.

Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die elektrisch betriebene Heizeinrichtung nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine aktiviert wird.Method variants in which the electrically operated heating device is activated after a cold start of the internal combustion engine are advantageous.

Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen die elektrisch betriebene Heizeinrichtung aktiviert wird, falls die Umgebungstemperatur unter einer vorgebbaren Grenztemperatur liegt.Method variants in which the electrically operated heating device is activated if the ambient temperature is below a predeterminable limit temperature are advantageous.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:

  • 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
In the following the invention is based on an embodiment according to 1 described in more detail. Here shows:
  • 1 schematically a first embodiment of the internal combustion engine.

1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine 1, die mit einem Abgasturbolader 5 ausgestattet ist, der eine im Abgasabführsystem 3 angeordnete Turbine 5b mit variabler Turbinengeometrie und einen im Ansaugsystem 2 angeordneten Verdichter 4, 5a umfasst. Das heiße Abgas entspannt sich in der Turbine 5b unter Energieabgabe. Der Verdichter 4, 5a komprimiert die Ladeluft, die via Ansaugsystem 2 und dem stromabwärts vorgesehenen Ladeluftkühler 2a den Zylindern zugeführt wird, wodurch eine Aufladung der Brennkraftmaschine 1 erreicht wird. Es handelt sich um einen Vier-Zylinder-Reihenmotor, bei dem die vier Zylinder entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d.h. in Reihe angeordnet sind. 1 shows schematically a first embodiment of the supercharged internal combustion engine 1 that with an exhaust gas turbocharger 5 is equipped, the one in the exhaust system 3 arranged turbine 5b with variable turbine geometry and one in the intake system 2 arranged compressor 4th , 5a includes. The hot exhaust gas expands in the turbine 5b under energy delivery. The compressor 4th , 5a compresses the charge air via the intake system 2 and the intercooler provided downstream 2a is supplied to the cylinders, whereby a supercharging of the internal combustion engine 1 is achieved. It is a four-cylinder in-line engine in which the four cylinders are arranged along the longitudinal axis of the cylinder head, ie in series.

Die Brennkraftmaschine 1 verfügt über eine Flüssigkeitskühlung 10, die einen Kühlmittelkreislauf 10a umfasst, welcher ein Kühlmittel führt.The internal combustion engine 1 has liquid cooling 10 that have a coolant circuit 10a includes which carries a coolant.

Darüber hinaus ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasrückführung 6 ausgestattet, vorliegend einer Niederdruck-AGR 6, die eine Rückführleitung 6a umfasst, welche stromabwärts der Turbine 5b unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes 6" vom Abgasabführsystem 3 abzweigt und stromaufwärts des Verdichters 5a unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes 6' in das Ansaugsystem 2 mündet. In der Rückführleitung 6a der Niederdruck-AGR 6 sind ein AGR-Ventil 6b und ein AGR-Kühler 6c angeordnet.In addition, the internal combustion engine 1 with exhaust gas recirculation 6 equipped, in this case a low-pressure EGR 6 that have a return line 6a includes, which is downstream of the turbine 5b with the formation of a second node 6 " from the exhaust system 3 branches off and upstream of the compressor 5a with the formation of a first node 6 ' into the intake system 2 flows out. In the return line 6a the low pressure EGR 6 are an EGR valve 6b and an EGR cooler 6c arranged.

Das Abgas, welches die Turbine 5b durchströmt, wird zwischen der Turbine 5b und dem zweiten Knotenpunkt 6" einer Abgasnachbehandlung in einem Partikelfilter 9 unterzogen, so dass durch den Verdichter 4, 5a nur von Rußpartikeln gereinigtes Abgas strömt.The exhaust gas that the turbine 5b flows through is between the turbine 5b and the second node 6 " exhaust gas aftertreatment in a particulate filter 9 subjected so that by the compressor 4th , 5a only exhaust gas that has been cleaned of soot particles flows.

Stromaufwärts des ersten Knotenpunktes 6' ist ein zweites Absperrelement 2b im Ansaugsystem 2 angeordnet, welches dazu verwendet werden kann, den Druck stromabwärts im Ansaugsystem 2 zu mindern, wodurch das Druckgefälle zwischen dem Abgasabführsystem 3 und dem Ansaugsystem 2 erhöht wird. Dies bietet insbesondere Vorteile bei hohen Rückführraten, die ein größeres Druckgefälle erfordern.Upstream of the first junction 6 ' is a second shut-off element 2 B in the intake system 2 arranged, which can be used to reduce the pressure downstream in the intake system 2 to reduce, thereby reducing the pressure gradient between the exhaust gas removal system 3 and the intake system 2 is increased. This is particularly advantageous in the case of high return rates, which require a greater pressure gradient.

Stromaufwärts des ersten Knotenpunktes 6' und - vorliegend - stromaufwärts des zweiten Absperrelements 2b ist eine Baugruppe vorgesehen, die eine Luftreinigungseinrichtung 8 in Gestalt eines Filters und einen Wärmetauscher 7 umfasst, wobei gemäß 1 der Wärmetauscher 7 stromaufwärts der Luftreinigungseinrichtung 8 angeordnet ist.Upstream of the first junction 6 ' and - in the present case - upstream of the second shut-off element 2 B an assembly is provided which has an air purification device 8th in the form of a filter and a heat exchanger 7th includes, according to 1 the heat exchanger 7th upstream of the air cleaner 8th is arranged.

Der Wärmetauscher 7 ist in den Kühlmittelkreislauf 10a der Flüssigkeitskühlung 10 eingebunden und dient dem Wärmeübergang zwischen der Ladeluft und dem Kühlmittel. Die Temperatur der via Ansaugsystem 2 durch den Wärmetauscher 7 strömenden Ladeluft kann auf diese Weise unter Verwendung des Kühlmittels erhöht, d.h. angehoben werden.The heat exchanger 7th is in the coolant circuit 10a the liquid cooling 10 integrated and serves the heat transfer between the charge air and the coolant. The temperature of the via intake system 2 through the heat exchanger 7th flowing charge air can in this way be increased, that is to say raised, using the coolant.

Hierzu ist die Flüssigkeitskühlung 10 der Brennkraftmaschine 1 mit einer elektrisch betriebenen Heizeinrichtung 11 ausgestattet, die stromaufwärts des Wärmetauschers 7 im Kühlmittelkreislauf 10a angeordnet ist und mit der die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in den Wärmetauscher 7 erhöht werden kann. Mittels Heizeinrichtung 11 kann die Kühlmitteltemperatur über die Temperatur der Ladeluft hinaus angehoben werden, so dass unter Verwendung des erwärmten Kühlmittels Wärme in die Ladeluft beim Durchströmen des Wärmetauschers 7 eingetragen werden kann.Liquid cooling is used for this 10 the internal combustion engine 1 with an electrically operated heating device 11 equipped that upstream of the heat exchanger 7th in the coolant circuit 10a is arranged and with which the temperature of the coolant before entering the heat exchanger 7th can be increased. By means of a heating device 11 the coolant temperature can be raised above the temperature of the charge air so that, using the heated coolant, heat is introduced into the charge air as it flows through the heat exchanger 7th can be entered.

Eine Kondensatbildung im Ansaugsystem 2 kann auf diese Weise vermieden bzw. vermindert werden.Formation of condensation in the suction system 2 can be avoided or reduced in this way.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Aufgeladene BrennkraftmaschineSupercharged internal combustion engine
22
AnsaugsystemSuction system
2a2a
LadeluftkühlerIntercooler
2b2 B
zweites Absperrelementsecond shut-off element
33
AbgasabführsystemExhaust gas removal system
44th
Verdichtercompressor
55
AbgasturboladerExhaust gas turbocharger
5a5a
Verdichter des AbgasturboladersCompressor of the exhaust gas turbocharger
5b5b
Turbine des AbgasturboladersTurbine of the exhaust gas turbocharger
66th
AbgasrückführungExhaust gas recirculation
6'6 '
erster Knotenpunktfirst junction
6"6 "
zweiter Knotenpunktsecond junction
6a6a
RückführleitungReturn line
6b6b
AGR-VentilAGR valve
6c6c
AGR-KühlerEGR cooler
77th
WärmetauscherHeat exchanger
88th
LuftreinigungseinrichtungAir purification device
99
PartikelfilterParticle filter
1010
FlüssigkeitskühlungLiquid cooling
10a10a
KühlmittelkreislaufCoolant circuit
1111
HeizeinrichtungHeating device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 8297922 B1 [0024]US 8297922 B1 [0024]

Claims (15)

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit - einer Flüssigkeitskühlung (10) umfassend einen - ein Kühlmittel führenden - Kühlmittelkreislauf (10a), - einem Ansaugsystem (2) zum Zuführen von Ladeluft, - einem Abgasabführsystem (3) zum Abführen von Abgas, - mindestens einem zur Kompression der Ladeluft im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (4), der mindestens ein in einem Verdichtergehäuse auf einer drehbaren Welle gelagertes und mit Laufschaufeln ausgestattetes Laufrad umfasst, - einer Abgasrückführung (6) umfassend eine Rückführleitung (6a), die stromaufwärts des mindestens einen Verdichterlaufrades unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (6') in das Ansaugsystem (2) mündet, und - einem Wärmetauscher (7), der stromaufwärts des ersten Knotenpunktes (6') im Ansaugsystem (2) angeordnet und in den Kühlmittelkreislauf (10a) eingebunden ist und einem Wärmeübergang zwischen der Ladeluft und dem Kühlmittel dient, dadurch gekennzeichnet, dass - stromaufwärts des Wärmetauschers (7) eine elektrisch betriebene Heizeinrichtung (11) im Kühlmittelkreislauf (10a) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) with - a liquid cooling (10) comprising a - a coolant - coolant circuit (10a), - an intake system (2) for supplying charge air, - an exhaust gas removal system (3) for removing exhaust gas, - at least one for Compression of the charge air in the intake system (2) arranged compressor (4), which comprises at least one impeller mounted in a compressor housing on a rotatable shaft and equipped with rotor blades, - an exhaust gas recirculation (6) comprising a recirculation line (6a), the upstream of the at least one Compressor impeller opens into the intake system (2) with the formation of a first node (6 '), and - a heat exchanger (7) which is arranged upstream of the first node (6') in the intake system (2) and is integrated into the coolant circuit (10a) and a heat transfer between the charge air and the coolant, characterized in that - upstream of the heat exchanger (7) an e Electrically operated heating device (11) is arranged in the coolant circuit (10a). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (6a) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (6") vom Abgasabführsystem (3) abzweigt.Supercharged internal combustion engine (1) after Claim 1 , characterized in that the return line (6a) branches off from the exhaust gas discharge system (3) with the formation of a second junction (6 "). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmetauscher (7) und der elektrisch betriebenen Heizeinrichtung (11) kein Verbraucher im Kühlmittelkreislauf (10a) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that no consumer is arranged in the coolant circuit (10a) between the heat exchanger (7) and the electrically operated heating device (11). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftreinigungseinrichtung (8) stromaufwärts des ersten Knotenpunktes (6') im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an air cleaning device (8) is arranged upstream of the first node (6 ') in the intake system (2). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftreinigungseinrichtung (8) und der Wärmetauscher (7) als ein gemeinsames integratives Bauteil ausgebildet sind.Supercharged internal combustion engine (1) after Claim 4 , characterized in that the air cleaning device (8) and the heat exchanger (7) are designed as a common, integrative component. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (4) einen Eintrittsbereich aufweist, der koaxial zur Welle des Verdichters (4) verläuft und ausgebildet ist, so dass die Anströmung der Ladeluft zu dem Verdichter (4) im Wesentlichen axial erfolgt.Supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one compressor (4) has an inlet area which runs coaxially to the shaft of the compressor (4) and is designed so that the charge air flows to the compressor ( 4) takes place essentially axially. Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine im Ansaugsystem (2) angeordnete Verdichter (4) zu einem Abgasturbolader (5) gehört, der eine im Abgasabführsystem (3) angeordnete Turbine (5b) und einen im Ansaugsystem (2) angeordneten Verdichter (5a) umfasst.Supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one compressor (4) arranged in the intake system (2) belongs to an exhaust gas turbocharger (5) which has a turbine (5b) arranged in the exhaust gas discharge system (3) and a comprises the compressor (5a) arranged in the intake system (2). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (6a) stromabwärts der Turbine (5b) des Abgasturboladers (5) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (6") vom Abgasabführsystem (3) abzweigt.Supercharged internal combustion engine (1) after Claim 7 , characterized in that the return line (6a) branches off from the exhaust gas discharge system (3) downstream of the turbine (5b) of the exhaust gas turbocharger (5) to form a second node (6 "). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zweiten Knotenpunktes (6") ein erstes Absperrelement im Abgasabführsystem (3) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) after Claim 8 , characterized in that a first shut-off element is arranged in the exhaust gas discharge system (3) downstream of the second node (6 "). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des ersten Knotenpunktes (6') ein zweites Absperrelement (2b) im Ansaugsystem (2) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a second shut-off element (2b) is arranged in the intake system (2) upstream of the first node (6 '). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (6a) ein AGR-Kühler (6c) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an EGR cooler (6c) is arranged in the return line (6a). Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführleitung (6a) ein AGR-Ventil (6b) angeordnet ist.Supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that an EGR valve (6b) is arranged in the return line (6a). Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betriebene Heizeinrichtung (11) aktiviert wird, um die Temperatur des Kühlmittels vor Eintritt in den Wärmetauscher (7) zu erhöhen und unter Verwendung des erwärmten Kühlmittels Wärme in die Ladeluft einzubringen und die Ladelufttemperatur zu erhöhen.Method for operating a supercharged internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrically operated heating device (11) is activated in order to increase the temperature of the coolant before entering the heat exchanger (7) and using the heated coolant Bringing heat into the charge air and increasing the charge air temperature. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betriebene Heizeinrichtung (11) aktiviert wird, falls eine Kondensatbildung im Ansaugsystem (2) erwartet wird.Procedure according to Claim 13 , characterized in that the electrically operated heating device (11) is activated if condensation is expected in the intake system (2). Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch betriebene Heizeinrichtung (11) nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (1) aktiviert wird.Procedure according to Claim 13 or 14th , characterized in that the electrically operated heating device (11) is activated after a cold start of the internal combustion engine (1).
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