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Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen ist beispielsweise bereits der
DE 10 2018 006 413 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt sowie ein in dem Abgastrakt angeordnetes und von dem Abgas angeordnetes Turbinenrad auf, welches beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers sein kann. Des Weiteren ist eine Abgasrückführeinrichtung vorgesehen, welche eine Abgasrückführleitung aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil des den Abgastrakt durchströmenden Abgases an einer stromauf des Turbinenrads angeordneten Abzweigstelle aus dem Abgastrakt abzweigbar und zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückführbar und an einer Einleitstelle in den Ansaugtrakt und somit in die die des Ansaugtrakt durchströmende Luft einleitbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine insbesondere als Dieselmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Ansaugtrakt stromauf oder stromab der Einleitstelle ein elektrisch antreibbares Verdichterrad zum Verdichten von der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft angeordnet ist. Dies bedeutet, dass das Verdichterrad Bestandteil eines elektrischen Verdichters, das heißt eines elektrisch betreibbaren Verdichters ist, wobei der Verdichter das Verdichterrad und eine elektrische Maschine aufweist, mittels welcher das Verdichterrad zum Verdichten der Luft elektrisch angetrieben werden kann. Das Verdichten der Luft wird auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet. Dadurch, dass das Verdichterrad elektrisch antreibbar ist, ist eine elektrisch unterstützte Aufladung realisiert. Durch die elektrisch unterstützte Aufladung kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ein treibendes Spülgefälle insbesondere zwischen der Abzweigstelle und der Einleitstelle reduziert werden, wobei das Spülgefälle zum Rückführen des Abgases genutzt wird. Das Rückführen des Abgases wird auch als Abgasrückführung bezeichnet, welche bei der Erfindung besonders vorteilhaft durchgeführt werden kann. Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Zur Steigerung der spezifischen Leistung und zur Reduzierung von Emissionen und Verbrauch von Verbrennungskraftmaschinen hat sich die Turboaufladung etabliert. Hierbei ist eine insbesondere als Abgasturbolader ausgebildete oder als Abgasturbolader fungierende oder betreibbare Strömungsmaschine vorgesehen, deren Massenträgheit in einem dynamischen Betrieb zu einem verzögerten Ladedruckaufbau führt. Im Laststprung bei geringen Motordrehzahlen, beispielsweise bei konstanter Drehzahl, insbesondere im Anfahrvorgang aus dem Leerlauf, hat der Abgasturbolader eine geringe Drehzahl, respektive Ladedruck. Das heißt von einem Ausgangszustand wird bei maximalem Drehmomentwunsch nicht sofort das maximale Moment freigegeben, sondern nur die Einspritzmenge beziehungsweise das Moment bis zu Minimal-Lambda freigegeben. Der Drehmomentaufbau folgt dem Ladedruck, der wiederum von der Turbinengröße, dem Wirkungsgrad, der Massenträgheit, dem Enthalpie Angebot und der Abgasrückführrate abhängt. Sobald der stationäre Ladedruck erreicht ist, ist auch der Rauchbetrieb beziehungsweise Luftmangelbetrieb beendet. Bei diesen motorischen Anwendungen ist ein Kompromiss im dynamischen Drehmomentaufbau und der Abgasrückführrate, das heißt Stickoxidbildung zu finden, da die Abgasrückführung den Frischluftmassestrom reduziert und somit den Ladedruckbedarf erhöht, sowie das Energieangebot auf die Turbine reduziert. Der höchste Anspannungsgrad erfolgt nach Kaltstart bis die Stickoxidreinigung mittels SCR (selektive katalytische Reduktion) auf Betriebstemperatur ist. Die Stickoxidreinigung wirkt ab circa 160 Grad Celsius bis 180 Grad Celsius mit zunehmendem Wirkungsgrad bis circa 240 bis 270 Grad Celsius. Danach kann die AGR-Rate reduziert beziehungsweise die Stickoxid Rohemissionen erhöht werden, um im Hinblick auf einen Zielkonflikt zwischen Stickoxid/Ruß-Emission weniger Ruß zu erzeugen und damit ein Regenerationsintervall zum Regenerieren eines beispielsweise als Dieselpartikelfilter (DPF) ausgebildeten Partikelfilters zu verlängern, sowie die Alterung der Abgasreinigung und die dynamische Leistungsentfaltung zu verbessern. Zur Verbesserung des genannten Zielkonflikts sind Technologien mit schnellerem Ladedruckaufbau zielführend. Die Technologien können sich nach Art der Energiequelle voneinander unterscheiden:
- - kleinere VTG Turbine mit höherem Wirkungsgrad im Bereich geringer Durchflussmengen
- - Turbine mit geringerer Massenträgheit zum Beispiel Keramik oder TiAl
- - mechanischer Zusatzverdichter
- - Drucklufteinblasung oder Lufteinblasung vor Turbine
- - elektrischer Zusatzverdichter
- - elektrischer Turbolader
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Im Fall eines Lastsprungs bei konstanter Drehzahl ergibt sich für eine dieselmotorische Anwendung ein Zusammenhang, bei dem die Stickoxidemission bis zum Erreichen des maximalen Drehmoments sinkt. In einer entsprechenden Auswertung wird beispielsweise die Zeit bis zum Erreichen eines bestimmten Drehmoments beziehungsweise die verrichtete Arbeit, das heißt das Integral der positiven Leistung aufgetragen. In gleicher Weise wird der Stickoxid-Massenstrom (NOx-Massenstrom) integriert. Durch Variation der AGR-Rate ergeben sich verschiedene x- und y-Wertepaare und es kann eine Kurve gebildet werden, die den zuvor genannten Zusammenhang veranschaulicht und insbesondere den Verlauf der Stickoxid-Emissionen über der Zeit bis zu dem Moment beziehungsweise über der verrichteten Arbeit veranschaulicht. Durch Hinzufügen eines elektrischen Verdichters beziehungsweise eines elektrischen Turboladers insbesondere in einem Laststrom mit konstanter Drehzahl ergibt sich durch kurze elektrische Unterstützung ein wesentlich schnellerer Ladedruckaufbau, jedoch ohne Anpassung der Applikation auch ein deutlich erhöhter Stickoxid-Strom. Eine Anpassung der Applikation führt zu Verbesserungen im Hinblick auf die Stickoxid-Emissionen, den Ladedruck und den Drehmomentaufbau. Es wurde gefunden, dass eine kleinere leistungsfähigere Turbine eine leichte Verbesserung in einem Zielkonflikt zwischen Stickoxid-Emissionen und vorteilhafter Dynamik bringt. Eine deutliche Verbesserung kann durch Verwendung eines elektrisch angetriebenen Turbolader beziehungsweise eines elektrischen Verdichters realisiert werden. Die Art der elektrischen Unterstützung hat Auswirkung auf das treibende Spülgefälle von der Abzweigstelle zu der Einleitstelle der beispielsweise als Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung ausgebildeten beziehungsweise zur Durchführung einer Hochdruck-Abgasrückführung ausgebildeten Abgasrückführeinrichtung. Die Verwendung eines elektrisch antreibbaren Verdichterrads beispielsweise in einem elektrischen Turbolader oder in einem elektrischen Zusatzverdichter ermöglicht es, einen auch als Saugrohrdruck bezeichneten und in dem Ansaugtrakt herrschenden Druck zu erhöhen, ohne dass sich ein im Abgastrakt herrschender Druck vor dem Turbinenrad ebenfalls erhöht. Dadurch sinkt das treibende Spülgefälle von der Abzweigstelle zu der Einleitstelle, unabhängig vom Ausgangsniveau, wodurch kein Abgas rezirkuliert werden kann Dadurch ergibt sich keine weitere Verbesserung der Stickoxid-Emissionen, trotz der Möglichkeit, den Ladedruck schneller aufzubauen
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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.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen;
- 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine;
- 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine;
- 4 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht einer Turbine für die Verbrennungskraftmaschine;
- 5 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine; und
- 6 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als ein Dieselmotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Motorblock 12 mit mehreren Zylindern 14 auf, wobei der jeweilige Zylinder 14 einen jeweiligen Brennraum 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 bildet oder begrenzt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt 18 auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft zu den und in die Brennräume 16 geführt wird. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von Abgas aus den Brennräumen 16 durchströmbaren Abgastrakt 20 auf, in welchen ein einfach auch als Krümmer bezeichneter Abgaskrümmer 22 angeordnet ist. Mittels des Abgaskrümmers 22 wird das Abgas aus den mehreren Brennräumen 16, insbesondere aus allen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine 10, gesammelt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Abgasturbolader 24 auf, welcher einen im Abgastrakt 20 angeordnete Turbine 26 mit einem Turbinenrad 28 aufweist. Das Turbinenrad 28 ist von dem den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgas antreibbar. Der Abgasturbolader 24 umfasst außerdem einen in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Verdichter 30, mit einem Verdichterrad 32, mittels welchem durch Antreiben des Verdichterrads 32 die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet werden kann. Dabei ist das Verdichterrad 32 über eine Welle 34 des Abgasturboladers 24 von dem Turbinenrad 28 antreibbar. Bei der ersten Ausführungsform weist der Abgasturbolader 24 eine elektrische Maschine 36 auf, mittels welcher zumindest das Verdichterrad 32 elektrisch angetrieben werden kann. Somit ist der Abgasturbolader 24 als elektrischer Abgasturbolader, das heißt als elektrisch betreibbarer Abgasturbolader ausgebildet. Ein in dem Ansaugtrakt 18 stromauf des Verdichterrads 32 herrschender Druck wird mit p1 bezeichnet. In dem Ansaugtrakt 18 ist stromab des Verdichterrads 32 und stromauf der Brennräume 16 ein Ladeluftkühler 39 angeordnet, mittels welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Ein in dem Ansaugtrakt 18 stromab des Ladeluftkühlers 39 und stromauf der Brennräume 16 herrschender Druck der Luft ist mit p2s bezeichnet, wobei der Luft p2s auch als Ladedruck bezeichnet wird, auf den beispielsweise die Luft mittels des Verdichterrads 32 verdichtet werden kann. Ein in dem Abgastrakt 20 stromab der Brennräume 16 und stromauf des Turbinenrads 28 herrschender Druck wird mit p3 bezeichnet.
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In dem Abgastrakt 20 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 angeordnet, welche von dem Abgas durchströmbar ist. Mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 wird das Abgas nachbehandelt. Ein in dem Abgastrakt 20 stromab des Turbinenrads 28 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 herrschender Druck ist mit p4 bezeichnet. Mit T4 ist eine auch als Abgastemperatur bezeichnete Temperatur des Abgases in dem Abgastrakt 20 bezeichnet, wobei das Abgas die Temperatur T4 stromab des Turbinenrads 28 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 aufweist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 weist Abgasnachbehandlungselemente 40a-d auf, wobei das Abgasnachbehandlungselement 40d stromab des Turbinenrads 28 und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40c angeordnet ist. Das Abgasnachbehandlungselement 40c ist stromab des Abgasnachbehandlungselements 40d und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40b angeordnet, und das Abgasnachbehandlungselement 40b ist stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40c und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40a angeordnet. Das Abgasnachbehandlungselement 40d ist beispielsweise ein Oxidationskatalysator, insbesondere ein Dieseloxidationskatalysator (DOC). Das Abgasnachbehandlungselement 40c umfasst beispielsweise einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter (DPF). Alternativ oder zusätzlich kann das Abgasnachbehandlungselement 40c einen SCR-Katalysator aufweisen. Insbesondere kann das Abgasnachbehandlungselement 40c eine für die selektive katalytische Reduktion (SCR) zum Entsticken des Abgases katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen, mit welcher beispielsweise der Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter, versehen sein kann. Das Abgasnachbehandlungselement 40b ist beispielsweise ein, insbesondere zweiter, SCR-Katalysator. Das Abgasnachbehandlungselement 40a ist beispielsweise ein Ammoniak-Sperr-Katalysator (ASC).
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In dem Abgastrakt 20 ist stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 und somit stromab des Turbinenrads 28 bei der ersten Ausführungsform eine Abgasklappe 42 angeordnet, mittels welcher das Abgas im Abgastrakt 18 aufgestaut werden kann. Beispielsweise ist die Abgasklappe 42 in einem Leitungselement des Abgastrakts 20 angeordnet und relativ zu dem Leitungselement zwischen wenigstens zwei voneinander unterschiedlichen Stellungen bewegbar, insbesondere verschwenkbar. In einer ersten der Stellungen ist durch die Abgasklappe 42 zumindest ein Teilbereich eines von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts des Abgastrakts 20 mittels der Abgasklappe 42 versperrt, sodass kein Abgas mehr durch den Teilbereich hindurchströmen kann. In der zweiten Stellung gibt die Abgasklappe 42 beispielsweise den Teilbereich frei.
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Der Turbine 26, insbesondere dem Turbinenrad 28, ist eine Umgehungseinrichtung 44 zugeordnet. Die Umgehungseinrichtung 44 umfasst eine Umgehungsleitung 46, welche auch als Bypass-Leitung oder Wastegate-Leitung bezeichnet wird. Die Umgehungsleitung 46 ist an Verbindungsstellen V1 und V2 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 verbunden, die Verbindungsstelle V1 ist stromauf des Turbinenrads 28 angeordnet, und die Verbindungsstelle V2 ist stromab des Turbinenrads 28 und insbesondere stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 angeordnet. Mittels der Umgehungsleitung 46 kann an der Verbindungsstelle V1 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 46 eingeleitet werden. Das abgezweigte Abgas kann die Umgehungsleitung 46 durchströmen und wird mittels der Umgehungsleitung 46 zu der Verbindungsstelle V2 geführt, an welcher das die Umgehungsleitung 46 durchströmende Abgas aus der Umgehungsleitung 46 ausströmen und wieder in den Abgastrakt 20 einströmen kann. Das die Umgehungsleitung 46 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 28, sodass das Turbinenrad 28 nicht von dem die Umgehungsleitung 46 durchströmenden Abgas angetrieben wird. Die Umgehungseinrichtung 44 umfasst außerdem ein auch als Wastegate oder Wastegate-Ventil oder Bypass-Ventil bezeichnetes Ventilelement 48, mittels welchem eine Menge des die Umgehungsleitung 46 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Durch Einstellen der Menge des die Umgehungsleitung 46 durchströmenden Abgases sind beispielsweise eine auch als Turbinenleistung bezeichnete Leistung der Turbinen 26 und hierdurch der Ladedruck (Druck p2s) einstellbar.
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Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine erste Abgasrückführeinrichtung 50 auf, mittels welcher eine als Hochdruck-Abgasrückführung ausgebildete Abgasrückführung durchführbar ist. Somit ist die Abgasrückführeinrichtung 50 als Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung ausgebildet. Die Abgasrückführeinrichtung 50 umfasst eine Rückführleitung 52, welche auch als Abgasrückführleitung bezeichnet wird. Die Rückführleitung 52 ist an einer Abzweigstelle A1 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 und an einer Einleitstelle E1 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden, sodass mittels der Rückführleitung 52 an der Abzweigstelle A1 zumindest ein Teil des den Abgasrückführeinrichtung 50 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt und in die Rückführleitung 52 eingeleitet werden kann. Das abgezweigte und in die Rückführleitung 52 eingeleitete Abgas kann die Rückführleitung 52 durchströmen und wird mittels der Rückführleitung 52 zu der Einleitstelle E1 geleitet. An der Einleitstelle E1 kann das die Rückführleitung 52 durchströmende Abgas aus der Rückführleitung 52 ausströmen und in der Folge in den Ansaugtrakt 18 einströmen, wodurch das die Rückführleitung 52 durchströmende Abgas an der Einleitstelle E1 in den Ansaugtrakt 18 und somit in die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft eingeleitet wird. Bei der ersten Ausführungsform ist die Abgasrückführeinrichtung 50 als gekühlte und ungekühlte Abgasrückführeinrichtung ausgebildet. Hierunter ist insbesondere folgendes zu verstehen: In der Rückführleitung 52 ist ein Abgasrückführkühler 54 angeordnet, mittels welchem zumindest ein Teil des die Rückführleitung 52 durchströmenden Abgases gekühlt werden kann. Ferner weist die Abgasrückführeinrichtung 50 eine weitere Umgehungsleitung 56 auf, welche an den Stellen S1 und S2 fluidisch mit der Rückführleitung 52 verbunden ist. Die Stelle S1 ist in der Rückführleitung 52 stromauf des Abgasrückführkühlers 54 angeordnet, und die Stelle S2 ist in der Rückführleitung 52 stromab des Abgasrückführkühlers 54 und stromauf der Einleitstelle E1 angeordnet. Mittels der weiteren Umgehungsleitung 56 kann zumindest ein Teil des die Rückführleitung 52 durchströmenden Abgases an der Stelle S1 aus der Rückführleitung 52 abgezweigt und in die weitere Umgehungsleitung 56 eingeleitet werden. Das in die weitere Umgehungsleitung 56 eingeleitete Abgas durchströmt die weitere Umgehungsleitung 56 und wird mittels der weiteren Umgehungsleitung 56 zu der Stelle S2 geführt. An der Stelle S2 kann das die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas aus der weiteren Umgehungsleitung 56 ausströmen und in die Rückführleitung 52 einströmen. Das die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas umgeht den Abgasrückführkühler 54. Dies bedeutet, dass das die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas nicht durch den Abgasrückführkühler 54 hindurchströmt und somit nicht mittels des Abgasrückführkühlers 54 gekühlt wird, sondern ungekühlt bleibt. In der weiteren Umgehungsleitung 56 ist ein Ventilelement 58 angeordnet, mittels welchem eine Menge des die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgases einstellbar ist.
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Die Abgasrückführeinrichtung 50 umfasst außerdem ein Abgasrückführventil 60, mittels welchem eine Menge des die Rückführleitung 52 durchströmenden Abgases, das heißt eine Menge des Abgases einstellbar ist, welches mittels der Rückführleitung 52 an der Abzweigstelle A1 aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt wird. In dem Ansaugtrakt 18 ist, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 39 und stromauf der Brennräume 16, insbesondere stromauf der Einleitstelle E1, eine Drosselklappe 62 angeordnet, mittels welcher eine den Brennräumen 16 zuzuführende Menge der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft eingestellt werden kann.
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Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 10 eine zweite Abgasrückführeinrichtung 64 auf, welche als Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass mittels der zweiten Abgasrückführeinrichtung 64 eine als Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildete Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Hierfür umfasst die Abgasrückführeinrichtung 64 eine zweite Rückführleitung 66, welche auch als zweite Abgasrückführleitung bezeichnet wird. Die zweite Rückführleitung 66 ist an einer zweiten Abzweigstelle A2 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 und an einer zweiten Einleitstelle E2 fluidisch mit Ansaugtrakt 18 verbunden. Mittels der zweiten Rückführleitung 66 kann an der zweiten Abzweigstelle A2 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt abgezweigt und in die zweite Rückführleitung 66 eingeleitet werden. Das an der Abzweigstelle A2 abgezweigte und in die zweite Rückführleitung 66 eingeleitete Abgas kann die zweite Rückführleitung 66 durchströmen und wird mittels der zweiten Rückführleitung 66 zu der Einleitstelle E2 geleitet. An der Einleitstelle E2 kann das die Rückführleitung 66 durchströmende Abgas aus der Rückführleitung 66 ausströmen und in den Ansaugtrakt 18 hineinströmen, sodass das die Rückführleitung 66 durchströmende Abgas an der Einleitstelle E2 in den Ansaugtrakt 18 und somit in die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft einleitbar ist oder eingeleitet wird. Aus 1 ist erkennbar, dass die Einleitstelle E2 in dem Ansaugtrakt 18 stromauf des Verdichterrads 32 angeordnet ist. Die Abzweigstelle A2 ist in dem Abgastrakt 20 stromab des Turbinenrads 28, insbesondere stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38, und dabei stromauf der Abgaskappe 42 angeordnet. Außerdem ist erkennbar, dass die Abzweigstelle A1 stromauf des Turbinenrads 28 in dem Abgastrakt 20 angeordnet ist.
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Die zweite Abgasrückführeinrichtung 64 kann einen insbesondere zweiten Abgasrückführkühler 68 aufweisen, welcher in der zweiten Rückführleitung 66 angeordnet ist. Mittels des Abgasrückführkühlers 68 kann das zur Rückführleitung 66 durchströmende Abgas gekühlt werden. Des Weiteren weist beispielsweise die zweite Abgasrückführeinrichtung 64 ein zweites Abgasrückführventil 70 auf, welches in der zweiten Rückführleitung 66 angeordnet ist. Mittels des Abgasrückführventils 70 kann eine Menge des die Rückführleitung 66 durchströmenden Abgases, das heißt eine Menge des Abgases eingestellt werden, die an der Abzweigstelle A2 mittels der Rückführleitung 66 aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt und in die Rückführleitung 66 eingeleitet wird.
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Durch Verwenden des als elektrischer Turbolader ausgebildeten Abgasturboladers 24 kann durch elektrische Unterstützung mehr Leistung in den Verdichter 30 eingespeist werden. Das AGR treibende Spülgefälle von der Abzweigstelle A1 zu der Einleitstelle E1 und somit von p3 nach p2s reduziert sich. Im vorliegenden Fall wird beispielsweise davon ausgegangen, dass die AGR-Rate nicht ausreicht und die Turbine 26 insbesondere im Hinblick auf das Wastegate und/oder eine variable Turbinengeometrie (VTG) der Turbine 26 bestmöglich für die Dynamik beziehungsweise die AGR-Anforderung abgestimmt ist. Durch Schließen der auch als Ansaugluftdrosselklappe bezeichneten Drosselklappe 62 kann ein auch als Saugrohrdruck bezeichneter und in Ansaugtrakt 18 insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 39 38 herrschender Druck wie beispielsweise der Druck p2s reduziert werden. Der elektrisch gewonnene, zusätzliche Ladedruck muss künstlich weggedrosselt werden. Zudem wandert die Schlucklinie im Verdichter 30 näher zur Pumpgrenze. Eine weitere Möglichkeit, das treibende AGR-Spülgefälle zu erhöhen, stellt die Abgasklappe 42 dar. Diese erlaubt ein erhöhtes Spülgefälle, ohne Rückkoppelungen auf den Verdichter 30. Durch den gestiegenen Druck p4 reduziert sich die Turbinenleistung insbesondere zumindest im Wesentlichen proportional zu p3/p4. Diese wird durch den elektrischen Turbolader kompensiert.
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Die in 1 gezeigte Verbrennungskraftmaschine 10, welche auch einfach als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnet wird, hat neben einer Hochdruck-AGR-Strecke von p3 nach p2s in Form der Abgasrückführeinrichtung 50 auch eine Niederdruck-AGR-Strecke von dem Umgebungsdruck nach p1 in Form der Abgasrückführeinrichtung 64, vorliegende mit der Abgasklappe 42, mittels welcher beispielsweise das Spülgefälle von dem Umgebungsdruck zu p1 aktiv beeinflusst, insbesondere eingestellt, werden kann. Die Niederdruck-AGR-Strecke ist somit eine zusätzliche Niederdruck-AGR-Strecke, die einen schnelleren Ladedruckaufbau ermöglicht, da der komplette AGR-Massenstrom über die Turbine 26 genutzt wird. Mithilfe des elektrischen Turboladers kann dieser Vorteil leicht kompensiert werden, sodass die Niederdruck-AGR-Strecke beziehungsweise die Niederdruck-Abgasrückführung als Stickoxid- und Dynamikmaßnahme nicht zwingend erforderlich ist. Zudem steht die Niederdruck-Abgasrückführung bei sehr kalten Temperaturen insbesondere wegen Kondensat- und Eisbildung nicht unbedingt zur Verfügung.
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Mit Entfall der Niederdruck-AGR-Strecke (Abgasrückführeinrichtung 64) kann auch die Abgasklappe 42 zur Disposition gestellt werden. Aus diesem Grund beziehungsweise dann wird beispielsweise der insbesondere als elektrische Turbolader ausgebildete Abgasturbolader 24 mit einem Abgasrückführventil, wie beispielsweise im Abgasrückführventil 60 vorgeschlagen oder ausgestattet, was beispielsweise in 2 gezeigt ist. In 2 ist ein von dem den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgas durchströmbares Abgasführungselement ausschnittsweise erkennbar und mit 72 bezeichnet. Bei dem Abgasführungselement 72 handelt es sich beispielsweise um ein Turbinengehäuse, in welchem das Turbinenrad 28 drehbar angeordnet ist. Ferner kann es sich bei dem Abgasführungselement 72 um ein Abgasführungselement handeln, welches in dem Abgastrakt 20 stromauf des Turbinenrads 28 und insbesondere stromauf des Turbinengehäuses und somit außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet sein kann.
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In 2 ist ein Gesamtstrom des Abgases durch einen Pfeil 74 veranschaulicht. Dass das Turbinenrad 28 anströmende und dadurch antreibende Abgas ist in 2 durch einen Teil 76 veranschaulicht, und ein Pfeil 78 veranschaulicht das Abgas, welches stromauf des Turbinenrads 28 mittels der Rückführleitung 52 an der Abzweigstelle A1 aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt wird und somit das Turbinenrad 28 nicht antreibt. In dieser vorteilhaften Konstruktion ist das Abgasrückführventil 60 eine Klappe, die beispielsweise in den Hauptabgasstrom zu dem Turbinenrad 28 geschwenkt wird. Dadurch wird eine insbesondere notwendige Abgasrückführung erzwungen. Im Grenzfall ist vorstellbar, dass die Strecke vom Krümmer in die Turbine 26 komplett verschlossen ist und der komplette Abgasmassenstrom auf die Saugseite gedrückt wird, mithin rückgeführt wird. Dadurch wäre eine AGR-Rate von 100 Prozent möglich.
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3 zeigt ausschnittsweise eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Das Abgasführungselement 72 kann beispielsweise der Abgaskrümmer 22 sein, sodass es denkbar ist, insbesondere im Hinblick auf 2, dass das Abgasrückführventil 60 in dem Abgaskrümmer 22 angeordnet und zum Einstellen der Menge des rückzuführenden Abgases relativ zu dem Abgaskrümmer 22 bewegbar, insbesondere verschwenkbar, ist. Demgegenüber ist bei der in 3 gezeigten zweiten Ausführungsform in dem Abgasführungselement 72, insbesondere in dem Abgaskrümmer 22, eine feste, mithin relativ zu dem Abgasführungselement 72 (Abgaskrümmer 22) nicht bewegbare Weiche 80 vorgesehen, mittels welcher der durch den Pfeil 74 veranschaulichte Gesamtstrom des Abgases in den Turbinenstrom (Pfeil 76) und dem AGR-Storm (Pfeil 78) aufgeteilt wird.
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1 zeigt in einer schematischen Vorderansicht die Turbine 26 mit dem Turbinenrad 28. Aus 4 ist erkennbar, dass die Turbine 26 eine variable Turbinengeometrie (VTG) 82 aufweisen kann. Die variable Turbinengeometrie 82 umfasst relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbare, insbesondere verschwenkbare, Leitschaufeln 84, mittels welchen beispielsweise ein von dem das Turbinenrad 28 anströmenden Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt, insbesondere in dem Turbinengehäuse, variierbar ist. In 4 ist mit 86 ein Drehpol einer der Leitschaufeln 84 bezeichnet. Außerdem ist ein Mindestspalt, durch welchen das Abgas hindurchströmen kann, mit 88 bezeichnet. Die variable Turbinengeometrie 82 ist beispielsweise eine stark dichtschließende variable Turbinengeometrie, wobei der radial minimale Spalt und der axiale Spalt minimiert werden, sodass der Durchsatzparameter der Turbine 26 weiter reduziert werden kann. Ein etwaiger Wirkungsgradnachteil und eine daraus resultierende, geringere Turbinenleistung, werden durch den elektrischen Turbolader kompensiert.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Bei der dritten Ausführungsform ist zusätzlich zu dem Abgasturbolader 24 ein Zusatzverdichter 90 in dem Ansaugtrakt 18 angeordnet, wobei der Zusatzverdichter 90 ein elektrischer Zusatzverdichter ist. Außerdem ist bei der dritten Ausführungsform der Abgasturbolader 24 nicht als elektrischer Abgasturbolader ausgebildet, sodass keine elektrische Maschine zum elektrischen Antreiben des Verdichterrads 32 vorgesehen ist. Der Druck p2s herrscht dabei stromab des Zusatzverdichters 90, wobei ein stromab des Ladeluftkühlers 39 und stromauf des Zusatzverdichters 90 in dem Ansaugtrakt 18 herrschender Druck mit p2n bezeichnet ist. Der Zusatzverdichter 90 weist ein in dem Ansaugtrakt 18 angeordnetes Verdichterrad 92 auf, welches zusätzlich zu dem Verdichterrad 32 vorgesehen ist. Das Verdichterrad 92 ist stromab des Verdichterrads 32 und dabei stromab des Ladeluftkühlers 39 angeordnet. Außerdem umfasst der Zusatzverdichter 90 eine elektrische Maschine 94, mittels welcher das Verdichterrad 92 antreibbar ist. Durch Antreiben des Verdichterrads 92 kann zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft verdichtet werden.
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Dem Verdichterrad 92 ist eine weitere Umgehungseinrichtung 96 zugeordnet, welche eine weitere Umgehungsleitung 98 aufweist. Die weitere Umgehungsleitung 98 ist an Stellen S3 und S4 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden. Die Stelle S3 ist stromauf des Verdichterrads 92 und stromab des Verdichterrads 32, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 39, angeordnet. Die Stelle S4 ist stromab des Verdichterrads 92 und stromauf der Brennräume 16 angeordnet. Mittels der Umgehungsleitung 98 kann zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden und insbesondere mittels des Verdichterrads 32 verdichteten Luft an der Stelle S3 aus dem Ansaugtrakt 18 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 98 eingeleitet werden. Die in die Umgehungsleitung 98 eingeleitete Luft durchströmt die Umgehungsleitung 98 und wird mittels der Umgehungsleitung 98 zu der Stelle S4 geleitet. An der Stelle S4 kann die die Umgehungsleitung 98 durchströmende Luft aus der Umgehungsleitung 98 herausgeleitet und in den Ansaugtrakt 18 eingeleitet werden. Die die Umgehungsleitung 98 durchströmende Luft umgeht das Verdichterrad 92 und wird somit nicht mittels des Verdichterrads 92 verdichtet.
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Bei der in 5 gezeigten, dritten Ausführungsform ist in der Umgehungsleitung 98 ein Ventilelement 100 ausgebildet, welches gemäß 5 als ein Rückschlagventil ausgebildet sein kann, das in Richtung der Stelle S3 sperrt und in entgegengesetzter Richtung und somit in Richtung der Stelle S4 öffnet, sodass das Ventilelement 100 eine Strömung der die Umgehungsleitung 98 durchströmenden Luft von der Stelle S3 hin zu der Stelle S4 zulässt, jedoch eine Strömung von Luft in der Umgehungsleitung 98 von der Stelle S4 hinter der Stelle S3 unterbindet, das heißt vermeidet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Verdichterrad 92 und/oder die Stelle S3 stromab der Einleitstelle E1 und somit stromab der AGR-Einleitung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Hochdruck-Abgasrückführung nach dem Ladeluftkühler 39 und vor dem elektrischen Zusatzverdichter 90 insbesondere an einer Stelle, an welcher der Druck p2n herrscht, in den Ansaugtrakt 18 eingebracht wird. Der über dem elektrischen Zusatzverdichter 90 erhöhte Ladedruck reduziert nicht das treibende Spülgefälle. Das vorliegend als Rückschlagventil ausgebildete Ventilelement 100 verhindert ein Rückströmen von Luft von p2s nach p2n. Das Ventilelement 100 ist normalerweise beziehungsweise dann, wenn es zu einer Fehlfunktion kommt, offen und schließt sich nur, wenn der Druck p2s größer ist als der Druck p2n. Ohne Ansteuerung des elektrischen Zusatzverdichters 90 ist das Ventilelement 100 (Rückschlagventil) offen.
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Alternativ ist es denkbar, dass die Ansaugluftdrosselklappe (Drosselklappe 62) die Funktion des beispielsweise als Bypass-Klappe ausgebildeten Ventilelements 100 ersetzt. Der elektrische Zusatzverdichter 90 hat zudem den Vorteil, dass durch das zusätzliche Verdichterkennfeld die Pumpgrenze erweitert wird, was im Falle hoher AGR-Raten bei geringen Drehzahlen ein Vorteil ist. Der Zusatzverdichter 90 wird beispielsweise instationär während des Drehmomentaufbaus kurzfristig mit AGR betrieben und die verdichtete Luft wird nicht gekühlt.
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Durch die beschriebenen Ausführungsformen kann eine deutliche Verbesserung des Zielkonflikts im Hinblick auf Stickoxide und Dynamik erreicht werden. Mit einer vergleichbaren Fahrleistung kann eine deutliche Absenkung der Stickoxid-Emissionen erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist durch den Zusatzverdichter 90 dadurch gegeben, dass dieser wie eine Hochdruckstufe wirkt und den Volumenstrom des Verdichters 30 nicht reduziert, wodurch dieser mehr Abstand zur Stabilitätsgrenze (Funkgrenze) hat. Es können instationär, das heißt dynamisch besonders hohe Hochdruck-AGR-Raten gefahren werden.
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Bei einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist es denkbar, dass das Ventilelement 100 als eine aktive Drosselklappe wie beispielsweise die Drosselklappe 62 ausgebildet ist. Somit kann beispielsweise mittels des Ventilelements 100 eine Menge der die Umgehungsleitung 98 durchströmenden und somit den Zusatzverdichter 90 umgehenden Luft, insbesondere aktiv, eingestellt werden. Für einen gedrosselten Betrieb sollte der elektrische Zusatzverdichter 90 ausreichend Druckverlust generieren. Dies kann durch den stehenden Betrieb oder durch Drehen entgegen der Strömungsrichtung erreicht werden.
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Schließlich zeigt 6 die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einer vierten Ausführungsform. Bei der vierten Ausführungsform ist der elektrische Zusatzverdichter 90 in dem Ansaugtrakt 18 und dabei jedoch stromab des Verdichterrads 32 des Verdichters 30 und stromauf des Ladeluftkühlers 39 angeordnet. Bei der vierten Ausführungsform ist der Abgasturbolader 24 als elektrischer Abgasturbolader, das heißt als elektrische unterstützter Abgasturbolader ausgebildet und umfasst demzufolge die elektrische Maschine 36.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Motorblock
- 14
- Zylinder
- 16
- Brennraum
- 18
- Ansaugtrakt
- 20
- Abgastrakt
- 22
- Abgaskrümmer
- 24
- Abgasturbolader
- 26
- Turbine
- 28
- Turbinenrad
- 30
- Verdichter
- 32
- Verdichterrad
- 34
- Welle
- 36
- elektrische Maschine
- 38
- Abgasnachbehandlungseinrichtung
- 39
- Ladeluftkühler
- 40a-d
- Abgasnachbehandlungselement
- 42
- Abgasklappe
- 44
- Umgehungseinrichtung
- 46
- Umgehungsleitung
- 48
- Ventilelement
- 50
- Abgasrückführeinrichtung
- 52
- Rückführleitung
- 54
- Abgasrückführkühler
- 56
- Umgehungsleitung
- 58
- Ventilelement
- 60
- Abgasrückführventil
- 62
- Drosselklappe
- 64
- Abgasrückführeinrichtung
- 66
- Rückführleitung
- 68
- Abgasrückführkühler
- 70
- Abgasrückführventil
- 72
- Abgasführungselement
- 74
- Pfeil
- 76
- Pfeil
- 78
- Pfeil
- 80
- Weiche
- 82
- Variable Turbinengeometrie
- 84
- Leitschaufel
- 86
- Drehpol
- 88
- Minimaler Spalt
- 90
- Elektrischer Zusatzverdichter
- 92
- Verdichterrad
- 94
- Elektrische Maschine
- 96
- Umgehungseinrichtung
- 98
- Umgehungsleitung
- 100
- Ventilelement
- A1
- Abzweigstelle
- A2
- Abzweigstelle
- E1
- Einleitstelle
- E2
- Einleitstelle
- p1
- Druck
- p2
- Druck
- p2n
- Druck
- p2s
- Druck
- p3
- Druck
- p4
- Druck
- s1
- Stelle
- s2
- Stelle
- s3
- Stelle
- s4
- Stelle
- T4
- Temperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018006413 A1 [0002]
