DE102021200599A1 - Supercharger pressure adjustment method, engine layout and vehicle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Laderdruckeinstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung zur Unterstützung beim Aufbau eines Ladedrucks, umfassend:- Entnehmen eines Abgasstroms aus der Verbrennungskraftmaschine nach einer Turbine des Abgasturboladers und Beimischen zu einem Frischluftstrom vor einem Verdichter des Abgasturboladers;- Ermitteln eines Spülgefälles anhand eines von einer Turbine des Abgasturboladers erzeugten Gegendrucks auf die Verbrennungskraftmaschine und eines Ladedrucks für die Verbrennungskraftmaschine;- Ermitteln, ob das Spülgefälle in einem vorbestimmten Druckbereich liegt;- Einstellen des Ladedrucks durch die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung um das Spülgefälle in dem vorbestimmten Druckbereich zu halten.Method for setting the charging pressure of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, a low-pressure exhaust gas recirculation and an electrically driven charging device to support the build-up of a charging pressure, comprising:- removing an exhaust gas flow from the internal combustion engine after a turbine of the exhaust gas turbocharger and mixing it with a fresh air flow before a compressor of the exhaust gas turbocharger; - Determination of a scavenging gradient based on a back pressure generated by a turbine of the exhaust gas turbocharger on the internal combustion engine and a boost pressure for the internal combustion engine; - Determining whether the scavenging gradient is in a predetermined pressure range; - Setting the boost pressure by the electrically driven charging device around the scavenging gradient in the predetermined maintain pressure range.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verfahren zur Laderdruckeinstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung zur Unterstützung beim Aufbau eines Ladedrucks, eine Motoranordnung zur Durchführung des Ladedruckregelungsverfahrens und ein Fahrzeug, welches die Motoranordnung umfasst.The invention relates to a method for adjusting the charge pressure of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, low-pressure exhaust gas recirculation and an electrically driven charging device to support the build-up of charge pressure, an engine arrangement for carrying out the charge pressure control method and a vehicle which includes the engine arrangement.

Der Verbrauch von Verbrennungskraftmaschinen kann durch konsequente Steigerung des Verdichtungsverhältnis enorm reduziert werden. Dabei kommen beispielsweise Brennverfahren nach Miller oder Brennverfahren mit Niederdruck-Abgasrückführung zum Einsatz. Diese Brennverfahren erfordern einen hohen Aufladegrad, um heutige Ansprüche an die Fahrperformance zu erfüllen. Zum Erreichen dieses Aufladegrades können Aufladekonzepte wie Elektrisch Angetriebene Verdichter (EAV) oder elektrisch unterstützter Abgasturbolader (euATL) zum Einsatz kommen. Diese werden meist elektrisch angetrieben und erzeugen zusätzlichen Ladedruck zum konventionellen Abgasturbolader (ATL). Sie werden heutzutage meist genutzt, um das Ansprechverhalten der Verbrennungskraftmaschine und somit das Beschleunigungsverhalten des Fahrzeugs zu verbessern.The consumption of internal combustion engines can be reduced enormously by consistently increasing the compression ratio. Here, for example, combustion processes according to Miller or combustion processes with low-pressure exhaust gas recirculation are used. These combustion processes require a high degree of supercharging in order to meet today's driving performance requirements. To achieve this degree of supercharging, supercharging concepts such as electrically driven compressors (EAV) or electrically assisted exhaust gas turbochargers (euATL) can be used. These are mostly driven electrically and generate additional boost pressure to the conventional exhaust gas turbocharger (ATL). Nowadays they are mostly used to improve the response behavior of the internal combustion engine and thus the acceleration behavior of the vehicle.

EP 2 006 516 A1 offenbart ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader. Der Abgasturbolader ist mit einer elektrischen Maschine (Motor/Generator) - oder allgemeiner mit einem Antrieb/Abtrieb - verbunden und ist mit einer Abgasturbine mit verstellbarer Leitgeometrie ausgestattet. Dabei können der Ladedruck und das Spülgefälle über die VTG-Stellung und die elektrische Leistung der elektrischen Maschine gesteuert oder geregelt werden. EP 2 006 516 A1 discloses a charging system for an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger. The exhaust gas turbocharger is connected to an electric machine (motor/generator) - or more generally to a drive/output - and is equipped with an exhaust gas turbine with adjustable guiding geometry. The charging pressure and the scavenging gradient can be controlled or regulated via the VTG position and the electrical power of the electric machine.

DE 10 2012 009 288 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie und einem elektrisch betriebenen Verdichter. Der Verdichter wird nur im transienten Betrieb zugeschaltet und sofort wieder abgeschaltet. Im abgeschalteten Betrieb wird der Verdichter durch einen Bypass umgangen, sobald ein ausreichendes Spülgefälle durch den Abgasturbolader selbst erreicht werden kann. DE 10 2012 009 288 A1 discloses an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry and an electrically operated compressor. The compressor is only switched on in transient operation and switched off again immediately. In switched-off operation, the compressor is bypassed as soon as a sufficient scavenging gradient can be achieved by the exhaust gas turbocharger itself.

DE 10 2009 053 354 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einer Abgasanlage und mit einem Turbolader zur Aufladung der Ladeluft, wobei Abgas aus der Abgasanlage entnommen und über eine Abgasrückführung der Ladeluft zugeführt wird. Ein IstWert eines Spülgefälles der Brennkraftmaschine wird herangezogen zur Regelung des Turboladers, wobei der Turbolader derart geregelt wird, dass das Spülgefälle einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Durch Einstellen des Spülgefälles kann das Verfahren den Verdichter des Turboladers in einem günstigen Betriebsbereich halten, wobei die Regelung über das Stellorgan des ATL erfolgt. Das Verfahren ist jedoch nicht dazu geeignet, über eine elektrische Unterstützung der Aufladung ein optimiertes ottomotorisches Brennverfahren zu gewährleisten. DE 10 2009 053 354 A1 discloses a method for operating an internal combustion engine with an exhaust system and with a turbocharger for charging the charge air, with exhaust gas being removed from the exhaust system and fed to the charge air via an exhaust gas recirculation system. An actual value of a scavenging gradient of the internal combustion engine is used to regulate the turbocharger, with the turbocharger being regulated in such a way that the scavenging gradient corresponds to a specified target value. By adjusting the scavenging gradient, the method can keep the compressor of the turbocharger in a favorable operating range, with control being carried out via the ATL actuator. However, the process is not suitable for ensuring an optimized gasoline engine combustion process via electrical boosting of the charging.

Bei einer Regelung der elektrischen Unterstützung der Aufladung unabhängig vom Spülgefälle besteht die Gefahr, dass die elektrische Unterstützung zu gering ist und sich ein zu geringes Spülgefälle einstellt. Weiterhin besteht auch die Gefahr, dass die elektrische Unterstützung unnötig groß ist. Bei einem zu hohen statischen Spülgefälle ergeben sich für das Brennverfahren keine signifikanten Vorteile mehr. Es würde somit elektrische Energie verbraucht werden, ohne einen Wirkungsgradvorteil der Verbrennungskraftmaschine zu generieren. Dies kann zu einer Kraftstoffverbrauchsteigerung führen.If the electrical support for charging is regulated independently of the scavenging gradient, there is a risk that the electrical support will be too low and that the scavenging gradient will be too small. Furthermore, there is also the risk that the electrical support is unnecessarily large. If the static scavenging gradient is too high, there are no longer any significant advantages for the combustion process. Electrical energy would thus be consumed without generating an efficiency advantage for the internal combustion engine. This can lead to an increase in fuel consumption.

Es besteht also die Aufgabe, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einer elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung zur Unterstützung beim Aufbau eines Ladedrucks bereitzustellen. Insbesondere besteht die Aufgabe, ein Spülgefälle für eine ausreichende Spülung des Brennraums und somit einen möglichst optimalen Motorwirkungsgrad einzustellen, gleichzeitig aber nicht stärker als nötig zu spülen, da dies wertvolle elektrische Energie verschwendet und den Wirkungsgrad des Gesamtsystems reduziert.The object is therefore to provide an improved method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and an electrically driven charging device to support the build-up of charging pressure. In particular, there is the task of setting a scavenging gradient for sufficient scavenging of the combustion chamber and thus the best possible engine efficiency, but at the same time not scavenging more than necessary, since this wastes valuable electrical energy and reduces the efficiency of the overall system.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, das Motorsteuergerät nach Anspruch 9 und das Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by the method according to claim 1, the engine control unit according to claim 9 and the vehicle according to claim 10. Further advantageous refinements of the invention result from the dependent claims and the following description of preferred exemplary embodiments of the present invention.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Laderdruckeinstellung einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Abgasturbolader, einer Niederdruck-Abgasrückführung und einer elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung zur Unterstützung beim Aufbau eines Ladedrucks, umfassend:

  • - Entnehmen eines Abgasstroms aus der Verbrennungskraftmaschine nach einer Turbine des Abgasturboladers und Beimischen zu einem Frischluftstrom vor einem Verdichter des Abgasturboladers;
  • - Ermitteln eines Spülgefälles anhand eines von einer Turbine des Abgasturboladers erzeugten Drucks und eines Ladedrucks für die Verbrennungskraftmaschine;
  • - Ermitteln, ob das Spülgefälle in einem vorbestimmten Druckbereich liegt;
  • - Einstellen des Ladedrucks durch die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung, um das Spülgefälle in dem vorbestimmten Druckbereich zu halten.
A first aspect of the present invention relates to a method for setting the charge pressure of an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, low-pressure exhaust gas recirculation and an electrically driven charging device to support the build-up of a charge pressure, comprising:
  • - Removing an exhaust gas flow from the internal combustion engine after a turbine of the exhaust gas turbocharger and mixing it with a fresh air flow before a compressor of the exhaust gas turbocharger;
  • - Determination of a scavenging gradient based on one generated by a turbine of the exhaust gas turbocharger Pressure and a boost pressure for the internal combustion engine;
  • - Determining whether the scavenging drop is within a predetermined pressure range;
  • - Adjusting the charging pressure by the electrically driven charging device in order to keep the scavenging gradient in the predetermined pressure range.

Die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung unterstützt die Turbine bei niedrigen Drehzahlen, um die über den Motoreinlass zugeführten Luft zu verdichten. Neben der dynamischen Unterstützung der Aufladung ermöglicht eine elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung in gewissem Rahmen auch eine Unterstützung des stationären Ladungswechsels. Versuche am Motorprüfstand haben gezeigt, dass diese stationäre Unterstützung bei der Anwendung von Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) zu einer deutlichen Effizienzsteigerung des Verbrennungsmotors führen können. Die ND-AGR wird verwendet, um im klopfbegrenzten Betriebsbereich des Motors die Klopfneigung zu senken. Dies führt zu besseren Verbrennungsschwerpunktlagen und somit zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Im Bereich niedriger Motordrehzahlen und mittlerer bis hoher Motorlast führt die Anwendung der ND-AGR dazu, dass sich der Betriebspunkt der Turbine des Abgasturboladers zu geringeren Wirkungsgraden hin verschiebt. Neben der aufgrund geringerer Abgastemperaturen geringeren zur Verfügung stehenden Abgasenthalpie vor der Turbine, kann dies zu einem ungünstigeren Spülgefälle über den Motor/ Zylindern führen. Das schlechter werdende Spülgefälle kann für höhere Anteile von intern rückgeführtem Abgas sorgen und somit die klopfreduzierende Wirkung der ND-AGR reduzieren. Durch eine elektrische Unterstützung der Aufladung durch die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung kann dies verhindert werden. Der effizienzsteigernde Effekt der ND-AGR kann auf diese Weise deutlich gesteigert werden. Mit anderen Worten, das Ladedruckregelverfahren kann diese Wirkungsgradsteigerung bei der Anwendung von ND-AGR optimal umsetzen, wobei der Ladungswechsel durch die geregelte elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung unterstützt wird. Die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung kann als ein Elektromotor eines elektrisch angetriebenen Verdichters (EAV) oder als ein elektrisch unterstützter Abgasturboladers (euATL) ausgebildet sein oder ein solches Bauteil umfassen.The electrically powered supercharger supports the turbine at low speeds to compress the air supplied via the engine intake. In addition to the dynamic support of charging, an electrically driven charging device also supports stationary gas exchange to a certain extent. Tests on the engine test bench have shown that this stationary support when using low-pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) can lead to a significant increase in the efficiency of the combustion engine. The LP EGR is used to reduce the tendency to knock in the engine's knock-limited operating range. This leads to better combustion center positions and thus to lower fuel consumption. In the range of low engine speeds and medium to high engine loads, the use of LP EGR causes the operating point of the exhaust gas turbocharger turbine to shift towards lower efficiencies. In addition to the lower exhaust gas enthalpy available in front of the turbine due to lower exhaust gas temperatures, this can lead to an unfavorable scavenging gradient over the engine/cylinders. The worsening scavenging gradient can ensure higher proportions of internally recirculated exhaust gas and thus reduce the knock-reducing effect of the LP EGR. This can be prevented by electrically assisting the charging by the electrically driven charging device. The efficiency-increasing effect of the LP EGR can be significantly increased in this way. In other words, the boost pressure control process can optimally implement this increase in efficiency when using LP EGR, with the gas exchange being supported by the regulated, electrically driven charging device. The electrically driven charging device can be designed as an electric motor of an electrically driven compressor (EAV) or as an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) or can include such a component.

In manchen Ausführungsformen kann der vorbestimmte Druckbereich des Spülgefälles in einem positiven Druckbereich von einschließlich +25 mbar bis zu +100 mbar, vorzugsweise von einschließlich +40 mbar bis zu +60 mbar, liegen. Motorversuche haben gezeigt, dass es bei der Anwendung von ND-AGR zur Verbesserung der Verbrennungsschwerpunktlage entscheidend ist, das stationäre Spülgefälle in jedem Betriebspunkt trotz der Einregelung der ND-AGR mithilfe der elektrischen Unterstützung der Aufladung in einem positiven Druckbereich von +25 mbar bis +100 mbar, vorzugsweise zwischen +40 mbar und +60 mbar, zu halten. Zu diesem Zweck kann die Regelung des EAV bzw. des euATL so in die Ladedruckregelung des Verbrennungsmotors eingebunden werden, dass die elektrische Unterstützung in einem Betriebszustand so eingeregelt wird, dass das stationäre Spülgefälle in den oben beschriebenen Grenzen bleibt.In some embodiments, the predetermined pressure range of the flushing gradient can be in a positive pressure range from +25 mbar up to +100 mbar inclusive, preferably from +40 mbar up to +60 mbar inclusive. Engine tests have shown that when using LP-EGR to improve the center of combustion, it is crucial to keep the stationary scavenging gradient at each operating point in a positive pressure range of +25 mbar to +100 mbar, despite the adjustment of the LP-EGR with the help of the electrical support of the charging mbar, preferably between +40 mbar and +60 mbar. For this purpose, the regulation of the EAV or the euATL can be integrated into the charging pressure regulation of the combustion engine in such a way that the electrical support is regulated in an operating state in such a way that the stationary scavenging gradient remains within the limits described above.

In manchen Ausführungsformen kann die Verbrennungskraftmaschine ein Ottomotor sein.In some embodiments, the internal combustion engine may be an Otto engine.

Beim Ottomotor wird ein Luft-Benzin-Gemisch angesaugt, dieses in einem Kolben verdichtet und durch eine Zündkerze gezündet. Dadurch entsteht eine kleine Explosion, die den Kolben zurückschiebt und eine Bewegung verursacht. Der Ottomotor hat den Vorteil, dass er leicht ist und eine hohe Laufruhe hat.In the Otto engine, an air-petrol mixture is sucked in, compressed in a piston and ignited by a spark plug. This creates a small explosion that pushes the piston back and causes movement. The petrol engine has the advantage that it is light and runs very smoothly.

In manchen Ausführungsformen kann der Abgasturbolader ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader sein und eine elektrische Maschine umfassen, die der elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung entspricht. Durch die Unterstützung der elektrischen Maschine des Abgasturboladers kann ein zusätzliches Drehmoment erzeugt werden, wodurch das Spülgefälle in dem vorgegebenen Druckbereich gehalten werden kann.In some embodiments, the exhaust gas turbocharger can be an electrically assisted exhaust gas turbocharger and can include an electric machine that corresponds to the electrically driven charging device. By supporting the electric machine of the exhaust gas turbocharger, an additional torque can be generated, as a result of which the scavenging gradient can be kept within the specified pressure range.

In manchen Ausführungsformen kann das Ladedruckregelungsverfahren ferner umfassen:

  • - Einstellen eines Drehmoments der elektrischen Maschine anhand des Spülgefälles und eines gewünschten Spülgefälles;
  • - Addieren des Drehmoments der elektrische Maschine zu einem Drehmoment des Abgasturboladers. Durch die Einstellung des Drehmoments der elektrischen Maschine in Abhängigkeit vom Spülgefälle kann die elektrische Unterstützung so bestimmt werden, dass das Spülgefälle nicht zu gering oder unnötig hoch wird. Durch das zusätzliche Drehmoment kann das Spülgefälle in dem vorgegebenen Druckbereich gehalten werden.
In some embodiments, the boost control method may further include:
  • - Setting a torque of the electric machine based on the scavenging gradient and a desired scavenging gradient;
  • - Adding the torque of the electric machine to a torque of the exhaust gas turbocharger. By adjusting the torque of the electrical machine as a function of the scavenging gradient, the electrical support can be determined in such a way that the scavenging gradient is not too low or unnecessarily high. Due to the additional torque, the scavenging gradient can be kept within the specified pressure range.

In manchen Ausführungsformen kann die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung eine elektrische Maschine eines elektrisch angetriebenen Verdichters sein. Durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine des elektrisch angetriebenen Verdichters kann ein zusätzlicher Druckaufbau erzeugt werden, wodurch das Spülgefälle in dem vorgegebenen Druckbereich gehalten werden kann. Der vom Verdichter des ATL zu leistende Druckaufbau kann somit reduziert und die Turbine des ATL somit entlastet werden. Auf diese Weise kann das Spülgefälle in dem vorgegebenen Druckbereich gehalten werden.In some embodiments, the electrically powered charging device may be an electric machine of an electrically powered compressor. By controlling the electrical machine of the electrically driven compressor, an additional pressure build-up can be generated, as a result of which the scavenging gradient can be kept within the specified pressure range. The pressure build-up to be provided by the compressor of the turbocharger can thus be reduced and the turbine of the ATL thus relieved. In this way, the scavenging gradient can be kept within the specified pressure range.

In manchen Ausführungsformen kann das Ladedruckregelungsverfahren ferner umfassen:

  • - Einstellen einer Drehzahl des elektrisch angetriebenen Verdichters anhand des Spülgefälles und eines gewünschten Spülgefälles. Durch die Einstellung der Drehzahl der elektrischen Maschine in Abhängigkeit vom Spülgefälle kann die elektrische Unterstützung so bestimmt werden, dass das Spülgefälle nicht zu gering oder unnötig hoch wird.
In some embodiments, the boost control method may further include:
  • - Setting a speed of the electrically driven compressor based on the scavenging gradient and a desired scavenging gradient. By adjusting the speed of the electric machine as a function of the scavenging gradient, the electrical support can be determined in such a way that the scavenging gradient is not too low or unnecessarily high.

In manchen Ausführungsformen kann der Abgasturbolader ein Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG) sein. Ein Abgasturbolader mit variabler Turbinengeometrie hat eine verstellbare Turbinengeometrie. Um das Turbinenrad sind bewegliche Leitschaufeln angeordnet, die über einen Stellring verstellt werden können, um den Strömungsquerschnitt der Turbine geeignet zu verändern. Die drehbar angeordneten Leitschaufeln verändern dabei das Anströmverhalten und damit die Leistung der Turbine. So kann die gesamte Abgasenergie verwendet werden und der Strömungsquerschnitt der Turbine für jeden Betriebspunkt optimal angepasst werden.In some embodiments, the exhaust gas turbocharger can be a variable turbine geometry (VTG) charger. An exhaust gas turbocharger with variable turbine geometry has an adjustable turbine geometry. Movable guide vanes are arranged around the turbine wheel and can be adjusted via an adjusting ring in order to suitably change the flow cross-section of the turbine. The rotatable guide vanes change the inflow behavior and thus the performance of the turbine. In this way, the entire exhaust gas energy can be used and the flow cross section of the turbine can be optimally adjusted for each operating point.

Ein zweiter Aspekt betrifft eine Motoranordnung umfassend ein Motorsteuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen durchzuführen. Das Motorsteuergerät kann Anforderungen an den Verbrennungskraftmaschine aufnehmen, verarbeiten und entsprechende Signale an Aktuatoren geben. Aktuatoren könne Elektromotoren oder elektromagnetische Ventile sein, die dafür zuständig sind, die Signale des Steuergerätes in eine bestimmte Aktion umzusetzen.A second aspect relates to an engine arrangement comprising an engine control unit which is set up to carry out a method according to one of the preceding embodiments. The engine control unit can receive requests from the internal combustion engine, process them and send corresponding signals to actuators. Actuators can be electric motors or electromagnetic valves that are responsible for converting the signals from the control unit into a specific action.

Ein dritter Aspekt betrifft ein Fahrzeug mit der vorhergehenden Motoranordnung. Die Motoranordnung kann eine präzise zentrale Steuerung der für den Motorbetrieb relevanten Funktionen des Fahrzeugs ermöglichen.A third aspect relates to a vehicle having the foregoing engine arrangement. The engine arrangement can enable precise central control of the vehicle's functions relevant to engine operation.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:

  • 1 als ein Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader;
  • 2 als ein Ausführungsbeispiel einen Regelkreis für die Ladedruckregelung und Regelung des elektrischen Maschinendrehmoments der elektrischen Maschine des elektrisch unterstützten Abgasturboladers;
  • 3a einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Einregelns des Öffnungswinkels der Leitschaufeln der Turbine;
  • 3b einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des IST-Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine;
  • 3c einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Spülgefälles;
  • 3d einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Einregelns des IST-Drehmomentes (Mel,ist,euATL) der elektrischen Maschine;
  • 4 als ein Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem elektrisch angetriebene Verdichter (EAV);
  • 5 als ein Ausführungsbeispiel einen Regelkreis für die Ladedruckregelung und Drehzahlregelung der elektrischen Maschine des elektrisch angetriebenen Verdichters (EAV);
  • 6a einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Einregelns des Öffnungswinkels der Leitschaufeln der Turbine;
  • 6b einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des IST-Drehmomentes der Verbrennungskraftmaschine;
  • 6c einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Spülgefälles;
  • 6d einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Einregelns der Drehzahl der elektrischen Maschine des EAV; und
  • 7 als ein Ausführungsbeispiel, ein Fahrzeug mit einer Motoranordnung.
Embodiments of the invention will now be described by way of example and with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 as an exemplary embodiment, a vehicle with an internal combustion engine and an electrically assisted exhaust gas turbocharger;
  • 2 as an exemplary embodiment, a control loop for charge pressure control and control of the electric machine torque of the electric machine of the electrically assisted exhaust gas turbocharger;
  • 3a an exemplary time profile of the adjustment of the opening angle of the guide vanes of the turbine;
  • 3b an exemplary time profile of the actual torque of the internal combustion engine;
  • 3c an example of the scavenging gradient over time;
  • 3d an exemplary time profile of the adjustment of the ACTUAL torque (M el,actual,euATL ) of the electrical machine;
  • 4 as one embodiment, a vehicle having an internal combustion engine and an electrically powered compressor (EAV);
  • 5 as an exemplary embodiment, a control loop for the boost pressure control and speed control of the electrical machine of the electrically driven compressor (EAV);
  • 6a an exemplary time profile of the adjustment of the opening angle of the guide vanes of the turbine;
  • 6b an exemplary time profile of the actual torque of the internal combustion engine;
  • 6c an example of the scavenging gradient over time;
  • 6d an exemplary time course of adjusting the speed of the electrical machine of the EPC; and
  • 7 as one embodiment, a vehicle having an engine assembly.

1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem elektrisch unterstützten Abgasturbolader (euATL). Das Fahrzeug 100 umfasst eine Verbrennungskraftmaschine 101, einen elektrisch unterstützten Abgasturbolader (euATL) 102, einen Ladeluftkühler 103, eine Drosselklappe 104 und eine Niederdruck-Abgasrückführung 105. 1 shows a vehicle with an internal combustion engine and an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) as an exemplary embodiment. Vehicle 100 includes an internal combustion engine 101, an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102, an intercooler 103, a throttle valve 104 and a low-pressure exhaust gas recirculation system 105.

Die Verbrennungskraftmaschine 101 kann ein Ottomotor sein, wobei der Ottomotor in teilelektrifizierten Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Die Verbrennungskraftmaschine 101 wird durch die Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs angetrieben. Die Verbrennungskraftmaschine 101 umfasst einen Kolben, einen Zylinder, ein Einlassventil, ein Auslassventil, einen Kraftstoffinjektor und eine Zündkerze. Die Energieumwandlung erfolgt hier nach dem Viertaktprinzip erfolgen.Internal combustion engine 101 can be a spark-ignition engine, in which case the spark-ignition engine can be used in partially electrified vehicles. The internal combustion engine 101 is driven by the combustion of a fuel-air mixture. The internal combustion engine 101 includes a piston, a cylinder, an intake valve, an exhaust valve, a fuel injector, and a spark plug. The energy conversion takes place here according to the four-stroke principle.

Der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 umfasst eine Turbine 102-1 und einen Verdichter 102-3. Die Turbine 102-1 nutzt die Energie (thermische Energie, d. h. Wärmeenergie, teilweise auch kinetische Energie, d. h. Bewegungsenergie) der austretenden Abgase der Verbrennungskraftmaschine 101 und ist mit dem Verdichter 102-3 verbunden. Der Verdichter 102-3 wird von der Turbine 102-1 101 angetrieben, wodurch der Luftdurchsatz erhöht und die Ansaugarbeit der Kolben vermindert wird. Der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 kann ferner einen Bypassventil (Wastegate) im Abgasstrom umfassen, um den Ladedruck zu regeln. Ferner kann die Turbine 102-1 verstellbare Leitschaufeln umfassen. Durch die verstellbaren Leitschaufeln kann dem zuströmenden Gas bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ein höherer Drehimpuls (in Form einer höheren Tangentialgeschwindigkeit) gegeben werden. Der Öffnungswinkel der Leitschaufeln kann so geregelt werden, dass bei geringem Gasdurchsatz das Abgas durch reduzierte Strömungsquerschnitte tangential beschleunigt und auf die verstellbaren Leitschaufeln geleitet wird, wodurch die Drehzahl der Turbine und damit die Leistung des Verdichters erhöht wird. Umgekehrt kann bei hohem Gasdurchsatz die Strömungsgeschwindigkeit durch große Strömungsquerschnitte reduziert werden. Ferner umfasst der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 eine elektrische Maschine 102-2. Durch die elektrische Maschine 102-2 kann der elektrisch unterstützte Abgasturbolader (euATL) 102 zusätzlich mit geregeltem Drehmoment beschleunigt werden. Bei Stationärunterstützung kann auch dauerhaft ein zusätzliches Drehmoment aufgeprägt werden. Die elektrische Maschine 102-2 kann auf der Antriebswelle 102-4 zwischen der Turbine 102-1 und dem Verdichter 102-3 angeordnet sein oder auch an einem Wellenende im Anschluss an der Turbine 102-1 bzw. an den Verdichter 102-3. Mittels der zugeführten elektrischen Energie kann so zusätzlicher Ladedruck zur Ladedruckerhöhung des konventionellen Abgasturboladers zur Verfügung gestellt werden.The electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 includes a turbine 102-1 and a compressor 102-3. The turbine 102-1 uses the energy (thermal energy, ie heat energy, sometimes also kinetic energy, ie kinetic energy) of the exiting exhaust gases of the internal combustion engine 101 and is connected to the compressor 102-3. The compressor 102-3 is driven by the turbine 102-1 101, which increases the air throughput and reduces the suction work of the pistons. The electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 may further include a bypass valve (wastegate) in the exhaust flow to regulate boost pressure. Further, the turbine 102-1 may include variable vanes. Due to the adjustable guide vanes, the inflowing gas can be given a higher angular momentum (in the form of a higher tangential velocity) at low flow velocities. The opening angle of the guide vanes can be regulated in such a way that, when the gas throughput is low, the exhaust gas is accelerated tangentially through reduced flow cross-sections and directed onto the adjustable guide vanes, which increases the speed of the turbine and thus the output of the compressor. Conversely, with a high gas throughput, the flow velocity can be reduced by large flow cross sections. Furthermore, the electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 includes an electric machine 102-2. The electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) 102 can additionally be accelerated with regulated torque by the electric machine 102-2. In the case of stationary support, an additional torque can also be applied permanently. The electrical machine 102-2 can be arranged on the drive shaft 102-4 between the turbine 102-1 and the compressor 102-3 or also at a shaft end following the turbine 102-1 or the compressor 102-3. By means of the supplied electrical energy, additional charge pressure can be made available to increase the charge pressure of the conventional exhaust gas turbocharger.

Der Ladeluftkühler 103 dient als Wärmetauscher, der die Temperatur der in den Ansaugtrakt einer aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 101 zugeführten Verbrennungsluft reduziert. Er kann im Ansaugtrakt zwischen dem Verdichter 102-3 und dem Einlassventil der Verbrennungskraftmaschine 101 eingebaut werden und führt einen Teil der Wärme ab, die bei der Verdichtung der Luft im euATL 102 entsteht. Dadurch erhöht sich die Leistung und Effizienz der Verbrennungskraftmaschine 101. Durch die Senkung der Temperatur der zugeführten Luft entsteht im gleichen Volumen eine größere Luftmasse, sodass proportional mehr Kraftstoff verbrannt werden kann.The intercooler 103 serves as a heat exchanger that reduces the temperature of the combustion air fed into the intake tract of a supercharged internal combustion engine 101 . It can be installed in the intake tract between the compressor 102-3 and the intake valve of the internal combustion engine 101 and dissipates some of the heat that is generated during the compression of the air in the euATL 102. This increases the power and efficiency of the internal combustion engine 101. By lowering the temperature of the air supplied, a larger air mass is produced in the same volume, so that proportionally more fuel can be burned.

Die Drosselklappe 104 befindet sich im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 101. Die Drosselklappe 104 regelt die Luftzufuhr für die Verbrennungskraftmaschine 101.Throttle valve 104 is located in the intake tract of internal combustion engine 101. Throttle valve 104 regulates the air supply for internal combustion engine 101.

Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 101 wird über die Turbine 102-1 des euATL 102 expandiert und über die gemeinsame Welle 102-4 wird der Verdichter 102-3 des euATL 102 angetrieben. Auf der Welle 102-4 des euATL 102 befindet sich die elektrische Maschine 102-2, durch welche die Ladedruckerzeugung elektrisch unterstützt werden kann. Nach der Kompression im Verdichter 102-3 des euATL 102 wird die Frischluft über den Ladeluftkühler 103 und die Drosselklappe 104 der Verbrennungskraftmaschine 101 zugeführt.The exhaust gas of the internal combustion engine 101 is expanded via the turbine 102-1 of the euATL 102 and the compressor 102-3 of the euATL 102 is driven via the common shaft 102-4. The electric machine 102-2 is located on the shaft 102-4 of the euATL 102 and can electrically support the generation of the charging pressure. After compression in the compressor 102 - 3 of the euATL 102 , the fresh air is supplied to the internal combustion engine 101 via the intercooler 103 and the throttle valve 104 .

Die Niederdruck-Abgasrückführung 105 umfasst ein Abgasrückführung-Ventil 105-1 und einen Abgasrückführung-Kühler 105-2. Die Niederdruck-Abgasrückführung (ND-AGR) 105 dient zur Senkung der Klopfneigung im klopfbegrenzten Betriebsbereich der Verbrennungskraftmaschine 101. Dies führt zu besseren Verbrennungsschwerpunktlagen und somit zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch. Im Bereich niedriger Motordrehzahlen und mittlerer bis hoher Motorlasten führt die Anwendung der ND-AGR dazu, dass sich der Betriebspunkt der Turbine des Abgasturboladers zu geringeren Wirkungsgraden verschiebt. Neben der aufgrund geringerer Abgastemperaturen geringeren zur Verfügung stehenden Abgasenthalpie vor Turbine 102-1, führt dies zu einem schlechter werdenden Spülgefälle über der Verbrennungskraftmaschine 101. Das schlechter werdende Spülgefälle sorgt für höhere Anteile von intern rückgeführtem Abgas und reduziert somit die klopfreduzierende Wirkung der ND-AGR 105. Durch eine elektrische Unterstützung der Aufladung durch einen euATL 102 kann dies verhindert werden. Der effizienzsteigernde Effekt der ND-AGR kann auf diese Weise deutlich gesteigert werden. Um diese Effizienzsteigerung ideal umzusetzen, wird in 2 eine Methode zur Regelung der Unterstützung des Ladungswechsels bei der Anwendung von ND-AGR 104 durch einen euATL 102 beschrieben.The low-pressure EGR 105 includes an EGR valve 105-1 and an EGR cooler 105-2. The low-pressure exhaust gas recirculation (LP-EGR) 105 serves to reduce the tendency to knock in the knock-limited operating range of the internal combustion engine 101. This leads to better combustion center positions and thus to lower fuel consumption. In the range of low engine speeds and medium to high engine loads, the use of LP EGR results in the operating point of the exhaust gas turbocharger turbine being shifted to lower levels of efficiency. In addition to the lower available exhaust gas enthalpy upstream of turbine 102-1 due to lower exhaust gas temperatures, this leads to a worsening scavenging gradient over internal combustion engine 101. The worsening scavenging gradient ensures higher proportions of internally recirculated exhaust gas and thus reduces the knock-reducing effect of the LP EGR 105. This can be prevented by electrically assisting charging with an euATL 102. The efficiency-increasing effect of the LP EGR can be significantly increased in this way. In order to ideally implement this increase in efficiency, in 2 a method for controlling the gas exchange support when using LP-EGR 104 by an euATL 102 is described.

2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel einen Regelkreis für die Ladedruckregelung und Regelung des elektrischen Maschinendrehmoments der elektrischen Maschine (102-2 in 1) des elektrisch unterstützten Abgasturboladers (102 in 1). Der Regelkreis 200 umfasst einen Ladedruckregler 210, einen Drehzahlregler des euATL 220, Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG)-Regler 230, eine euATL-Turbine 240 (102-1 in 1), eine euATL-Welle 250 (102-4 in 1), einen euATL-Verdichter 260 (102-3 in 1), eine Verbrennungskraftmaschine 270 (101 in 1), eine elektrische Maschine 280 (102-2 in 1) und einen elektrischen-Maschinenregler 290. 2 shows, as an exemplary embodiment, a control circuit for controlling the boost pressure and controlling the electric machine torque of the electric machine (102-2 in 1 ) of the electrically assisted exhaust gas turbocharger (102 in 1 ). The control circuit 200 includes a boost pressure controller 210, a euATL 220 speed controller, variable turbine geometry supercharger (VTG) controller 230, a euATL turbine 240 (102-1 in 1 ), a euATL shaft 250 (102-4 in 1 ), a euATL compressor 260 (102-3 in 1 ), an internal combustion engine 270 (101 in 1 ), an electric machine 280 (102-2 in 1 ) and an electric machine controller 290.

Der Ladedruckregler 210 bestimmt den vom euATL-Verdichter (102-3 in 2) bereitzustellenden Soll-Ladedruck Πsoll anhand des Drucks P1,ist vor dem euATL-Verdichter (102-3 in 2) und der Differenz zwischen dem Verbrennungskraftmaschine-Soll-Drehmoment MVKM,soll und dem Verbrennungskraftmaschine-Ist-Drehmoment MVKM,ist. Der Drehzahlregler des euATL 220 stellt auf Basis des Soll-Ladedrucks Πsoll unter Berücksichtigung des Ist-Ladedrucks Πist die Soll-Drehzahl nsoll, euATL des euATL ein. Aus der Relation der Ist-Drehzahl nist,euATL und der Soll-Drehzahl nsoll, euATL des euATL bestimmt der VTG-Regler 230 wie die Position der variablen Leitschaufeln vor der Turbine VTGstell, des euATL (102 in 1) eingestellt werden soll. Je nach Position der Leitschaufeln VTGstell, erzeugt die Turbine 240 des euATL ein bestimmtes Drehmoment Mth,euATL an der Welle 250 des euATL, welche den Verdichter 260 des euATL antreibt. Aus diesem Drehmoment Mth,euATL resultiert in Abhängigkeit der Reibung und der Gaskräfte im Verdichter 260 eine Ist-Drehzahl nist, euATL des Verdichters 260 und somit ein bestimmtes Verdichterdruckverhältnis Πist. In Abhängigkeit der eingestellten Position der Leitschaufeln der Turbine VTGstell und somit dem Aufstauverhalten der euATL-Turbine 240 stellt sich nun ein Gegendruck P3,ist an der Verbrennungskraftmaschine 270 ein. Aus dem Gegendruck P3,ist und dem Ladedruck P2,ist wird das Spülgefälle (ΔPspül,ist = P2,ist - P3,ist) berechnet. Aus der Differenz des Ist-Spülgefälles ΔPspül,ist zum gewünschten Soll-Spülgefälle ΔPspül,soll bestimmt der Regler 290 der elektrische Maschine des euATL das auf die Welle des euATL aufzubringende elektrische Soll-Drehmoment Mel,soll,euATL. Das elektrische Soll-Drehmoment Mel,sol,euATL wird mit dem elektrischen IST-Drehmoment Mel,ist,euATL verglichen. Innerhalb der E-Maschine des euATL 280 wird das Ist-Drehoment Mel,ist,euATL auf das Soll-Drehmoment Mel,soll,euATL geregelt. Ist das Spülgefälle ΔPspül,ist zu gering, wird das elektrische Soll-Drehmoment Mel,soll,euATL gesteigert und ist das Spülgefälles ΔPspül,ist zu hoch, wird das Soll-Drehmoment Mel,soll,euATL verringert. Ein gesteigertes Drehmoment Mth,euATL auf der Welle führt nun zu einer gesteigerten Wellendrehzahl nist,euATL, welche jedoch durch den Drehzahlregler 220 des euATL detektiert und durch Öffnung der Leitschaufeln der Turbine, also eine Steigerung des Positionswertes VTGstell, kompensiert wird. Bei einem großen Öffnungswinkel der Leitschaufeln der Turbine wird der Gegendruck P3,ist auf die Verbrennungskraftmaschine 270 abgesenkt, was zu einer angestrebten Steigerung des Spülgefälles ΔPspül,ist führt.The wastegate 210 determines the euATL compressor (102-3 in 2 ) target boost pressure Π to be provided based on the pressure P 1, act before the euATL compressor (102-3 in 2 ) and the difference between the internal combustion engine setpoint torque M VKM,soll and the internal combustion engine actual torque M VKM, actual. The speed controller of the euATL 220 sets the target speed n set , euATL of the euATL on the basis of the target boost pressure Π target , taking into account the actual boost pressure Π actual . From the relation between the actual speed n ist,euATL and the target speed n soll , euATL of the euATL, the VTG controller 230 determines how the position of the variable guide vanes in front of the turbine VTG adjust , of the euATL (102 in 1 ) is to be set. Depending on the position of the guide vanes VTG adjust , the turbine 240 of the euATL generates a specific torque M th,euATL on the shaft 250 of the euATL, which drives the compressor 260 of the euATL. Depending on the friction and the gas forces in the compressor 260, this torque M th,euATL results in an actual speed nactual, euATL of the compressor 260 and thus a specific compressor pressure ratio Πactual . Depending on the set position of the guide vanes of the turbine VTG adjust and thus the build-up behavior of the euATL turbine 240, a counter-pressure P 3, actual now occurs on the internal combustion engine 270. The scavenging gradient (ΔP rinsing,actual = P 2, actual - P 3,actual ) is calculated from the back pressure P 3, actual and the charging pressure P 2, actual . The controller 290 of the electrical machine of the euATL determines the electric setpoint torque M el,soll,euATL to be applied to the shaft of the euATL from the difference between the actual scavenging gradient ΔP spül,act and the desired setpoint scavenging gradient ΔP spül, setpoint. The electrical setpoint torque M el,sol,euATL is compared to the actual electrical torque M el,actual,euATL . Within the e-machine of the euATL 280, the actual torque M el,actual, euATL is regulated to the target torque M el,soll,euATL . If the scavenging gradient ΔP spül,ist is too low, the electric setpoint torque M el,soll,euATL is increased and if the scavenging gradient ΔP spül,ist is too high, the setpoint torque M el,soll,euATL is reduced. An increased torque M th,euATL on the shaft now leads to an increased shaft speed n ist,euATL , which, however, is detected by the speed controller 220 of the euATL and is compensated by opening the guide vanes of the turbine, i.e. an increase in the position value VTG stell . With a large opening angle of the guide vanes of the turbine, the back pressure P 3, actual on the internal combustion engine 270 is lowered, which leads to a desired increase in the scavenging gradient ΔP spül,actual .

Der Regelkreis 200 mit einem euATL ermöglicht die Umsetzung des Spülgefälles ΔPspül,ist im positiven Bereich von +25 mbar bis +100 mbar, vorzugsweise zwischen +40 mbar und +60 mbar.The control circuit 200 with an euATL enables the conversion of the flushing gradient ΔP flush, is in the positive range of +25 mbar to +100 mbar, preferably between +40 mbar and +60 mbar.

3 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Einregelns des Öffnungswinkels (VTGstell) der Leitschaufeln der Turbine (102-1 in 1), des IST-Drehmomentes (MVKM,ist) der Verbrennungskraftmaschine (101 in 1), des Spülgefälles (ΔPspül,ist) und des Einregelns des IST-Drehmomentes (Mel,ist,euATL) der elektrischen Maschine (102-2 in 1). 3 shows an example of how the opening angle (VTG adjust ) of the guide vanes of the turbine (102-1 in 1 ), the ACTUAL torque (M VKM, actual ) of the internal combustion engine (101 in 1 ), the scavenging gradient (ΔP spül,ist ) and the adjustment of the ACTUAL torque (M el,ist,euATL ) of the electrical machine (102-2 in 1 ).

Die x-Achse von 3a entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 3a entspricht dem Öffnungswinkel (VTGstell) der verstellbaren Leitschaufeln der Turbine. Die x-Achse von 3b entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 3b entspricht dem IST-Drehmomente (Mel,ist,euATL) der Verbrennungskraftmaschine. Die x-Achse von 3c entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 3c entspricht dem Spülgefälle (ΔPspül,ist). Die x-Achse von 3d entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 3d entspricht dem Soll-Drehmoment (Mel,soll,euATL) der elektrischen Maschine.The x-axis of 3a corresponds to the time axis, and the y-axis of 3a corresponds to the opening angle (VTG stell ) of the adjustable guide vanes of the turbine. The x-axis of 3b corresponds to the time axis, and the y-axis of 3b corresponds to the actual torque (M el,actual,euATL ) of the internal combustion engine. The x-axis of 3c corresponds to the time axis, and the y-axis of 3c corresponds to the flushing gradient (ΔP flush, actual ). The x-axis of 3d corresponds to the time axis, and the y-axis of 3d corresponds to the setpoint torque (M el,soll,euATL ) of the electrical machine.

Zuerst wird durch Schließen der VTG das IST-Drehmoment (durchgezogene Linie in 3b) auf das Soll- Drehmoment (gestrichelte Linie in 3b) der Verbrennungskraftmaschine eingestellt bzw. eingeregelt. Hierbei sinkt das IST-Spülgefälle (durchgezogene Linie in 3c) unter das Soll-Spülgefälle (gestrichelte Linie in 3c). Im Zeitpunkt T1 bringt die elektrische Maschine des euATL ein Unterstützungsmoment (durchgezogene Linie in 3d) auf die Welle des euATL auf. Die verstellbaren Leitschaufeln der Turbine werden weiter geöffnet, bis das Soll-Spülgefälle erreicht wird. Der Zeitpunkt T1 kann bestimmt werden, wenn ein Differenzwert zwischen dem IST-Spülgefälle und dem Soll-Spülgefälle kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Mit anderen Worten, das Unterstützungsmoment kann auf die Welle des euATL gebracht werden, wenn ein Differenzwert zwischen dem IST-Spülgefälle und dem Soll-Spülgefälle kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.First, by closing the VTG, the ACTUAL torque (solid line in 3b) to the target torque (dashed line in 3b) the internal combustion engine is set or regulated. The ACTUAL flushing gradient (solid line in 3c ) below the target flushing gradient (dashed line in 3c ). At time T1, the electric machine of the euATL provides a support torque (solid line in 3d ) on the wave of the euATL. The turbine's adjustable guide vanes are opened further until the target scavenging gradient is reached. Time T1 can be determined when a differential value between the ACTUAL scavenging gradient and the target scavenging gradient is less than a predetermined value. In other words, the support torque can be applied to the euATL shaft when a difference between the actual scavenging gradient and the target scavenging gradient is less than a predetermined value.

4 zeigt als ein Ausführungsbeispiel ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einem elektrisch angetriebene Verdichter (EAV). Die gleichen Bestandteile des Fahrzeugs 400 und des Fahrzeugs in 1 wurden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Um redundante Informationen zu vermeiden und die Lesbarkeit zu verbessern, wurden die Erklärungen für Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen in 1 und 4 weggelassen. 4 FIG. 1 shows a vehicle with an internal combustion engine and an electrically driven compressor (EAV) as an exemplary embodiment. The same components of the vehicle 400 and the vehicle in 1 have been denoted by the same reference numerals. In order to avoid redundant information and to improve readability, the explanations for components with the same reference numbers in 1 and 4 omitted.

Das Fahrzeug 400 umfasst einen Abgasturbolader (ATL) 410, wobei der Abgasturbolader 410 eine Turbine 102-1 und einen Verdichter 102-3 umfasst. Ferner umfasst das Fahrzeug 400 einen EAV 420 und eine Bypassklappe 430. Der EAV 420 umfasst einen EAV-Verdichter 420-1 und eine elektrische Maschine 420-2, wobei die Drehzahl des EAV-Verdichters 420-1 durch die elektrische Maschine 420-2 geregelt wird. Der EAV 420 kann in der Ladeluftstrecke der Verbrennungskraftmaschine 101 angeordnet sein und entweder in Strömungsrichtung gesehen vor oder nach dem Verdichter 102-3 des Abgasturboladers 410 wirken. Der EAV 420 dient dazu, eine Dynamikunterstützung und/oder eine stationären Unterstützung beim Aufbau des Ladedrucks - insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen - zur Verfügung zu stellen (E-Boost-Modus).The vehicle 400 includes an exhaust gas turbocharger (ATL) 410, wherein the exhaust gas turbocharger 410 includes a turbine 102-1 and a compressor 102-3. The vehicle 400 also includes an EAV 420 and a bypass flap 430. The EAV 420 includes an EAV compressor 420-1 and an electric machine 420-2, the speed of the EAV compressor 420-1 being controlled by the electric machine 420-2. The EAV 420 can be arranged in the charge air path of the internal combustion engine 101 and can act either before or after the compressor 102 - 3 of the exhaust gas turbocharger 410 as seen in the direction of flow. The EAV 420 is used to provide dynamic support and/or stationary support when building up the boost pressure - especially in the low engine speed ranges (E-Boost mode).

Das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 101 wird über die Turbine 102-1 des ATL 410 expandiert und über die gemeinsame Welle wird der Verdichter 102-3 des ATL 410 angetrieben. Nach der Kompression im Verdichter 102-3 des ATL 410 wird die Frischluft dem EAV 420 zugeführt. Nach der zusätzlichen Verdichtung durch den EAV 420 wird die Frischluft der Verbrennungskraftmaschine 101 über den Ladeluftkühler 103 und die Drosselklappe 104 zugeführt. Über die Bypassklappe 430 kann der EAV 420 umgangen werden, wenn kein zusätzlicher Ladedruckaufbau durch den EAV 420 nötig ist.The exhaust gas of internal combustion engine 101 is expanded via turbine 102-1 of turbocharger 410 and compressor 102-3 of turbocharger 410 is driven via the common shaft. After compression in compressor 102 - 3 of ETC 410 , the fresh air is supplied to EAV 420 . After the additional compression by EAV 420 , the fresh air is supplied to internal combustion engine 101 via intercooler 103 and throttle valve 104 . The EAV 420 can be bypassed via the bypass flap 430 if no additional boost pressure build-up by the EAV 420 is necessary.

5 zeigt als ein Ausführungsbeispiel einen Regelkreis für die Ladedruckregelung und Drehzahlregelung der elektrischen Maschine (420-2 in 4) des elektrisch angetriebenen Verdichters (EAV) (420 in 4). Der Regelkreis 500 umfasst einen Ladedruckregler 510, einen Drehzahlregler des EAV 520, Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG)-Regler 530, einen ATL 540 (410in 4), eine Verbrennungskraftmaschine 550 (101 in 4), einen EAV 560 (420 in 4). 5 shows, as an exemplary embodiment, a control circuit for charge pressure control and speed control of the electric machine (420-2 in 4 ) of the electrically driven compressor (EAV) (420 in 4 ). Control loop 500 includes boost pressure controller 510, EPC speed controller 520, variable turbine geometry charger (VTG) controller 530, turbocharger 540 (410in 4 ), an internal combustion engine 550 (101 in 4 ), an EAV 560 (420 in 4 ).

Der Ladedruckregler 510 bestimmt das bereitzustellende Gesamt-Druckverhältnis Πges,soll anhand des Drucks P1,ist vor dem Verdichter (102-3 in 4) und der Differenz zwischen dem Verbrennungskraftmaschine-Soll-Drehmoment MVKM,soll und dem Verbrennungskraftmaschine-Ist-Drehmoment MVKM,ist. Unter Berücksichtigung des Ist-Druckverhältnisses Πges,ist stellt der VTG-Regler 530 nun die Stellung VTGstell der verstellbaren Leitschaufeln der Turbine ein. In Abhängigkeit der Stellung der Leitschaufeln der Turbine VTGstell erzeugt die Turbine des ATL 540 eine mechanische Leistung, mit welcher über die gemeinsame Welle der Verdichter des ATL 540 angetrieben wird und der Ladedruck ΠATL für die Verbrennungskraftmaschine 550 erzeugt wird. In Abhängigkeit der eingestellten Stellung der Leitschaufeln der Turbine VTGstell und somit dem Aufstauverhalten der Turbine des ATL 540 stellt sich ein Gegendruck P3,ist an der Verbrennungskraftmaschine ein. Aus dem Gegendruck P3,ist und dem Ladedruck P2,ist wird das Spülgefälle (ΔPspül,ist = P2,ist - P3,ist) berechnet. Aus der Differenz des Ist-Spülgefälles ΔPspül,ist zum gewünschten Soll-Spülgefälle ΔPspül,soll bestimmt der Drehzahlregler 520 des EAV die benötigte Drehzahl nEAV des EAV 560. Ist das Spülgefälle ΔPspül,ist zu gering, wird die Drehzahl nEAV des EAV gesteigert und ist das Spülgefälle ΔPspül,ist zu hoch, wird die Drehzahl des EAV nEAV verringert. Eine gesteigerte Drehzahl nEAV des EAV führt nun zu einem gesteigerten Gesamtdruckverhältnis Πges,ist, welches jedoch durch den VTG-Regler 530 des ATL detektiert und durch eine stärkere Öffnung der Leitschaufeln der Turbine, also einen größeren Wert der Stellgröße VTGstell, kompensiert wird. Durch eine Öffnung der Leitschaufeln der Turbine wird der Gegendruck P3,ist auf die Verbrennungskraftmaschine 550 abgesenkt, was zu einer angestrebten Steigerung des Spülgefälles ΔPspül,ist führt.The boost pressure controller 510 determines the total pressure ratio Π tot to be provided, set on the basis of the pressure P 1, act upstream of the compressor (102-3 in 4 ) and the difference between the internal combustion engine setpoint torque M VKM,soll and the internal combustion engine actual torque M VKM, actual. Taking into account the actual pressure ratio Π tot, actual, the VTG controller 530 now sets the position VTG adjust of the adjustable guide vanes of the turbine. Depending on the position of the vanes of the turbine VTG adjust , the turbine of the ATL 540 generates mechanical power, with which the compressor of the ATL 540 is driven via the common shaft and the boost pressure Π ATL for the internal combustion engine 550 is generated. Depending on the set position of the guide vanes of the turbine VTG adjust and thus the damming behavior of the turbine of the ATL 540, a back pressure P 3, actual arises on the internal combustion engine. The scavenging gradient (ΔP rinsing,actual = P 2, actual - P 3,actual ) is calculated from the back pressure P 3, actual and the charging pressure P 2, actual . The speed controller 520 of the EAV determines the required speed n EAV of the EAV 560 from the difference between the actual scavenging gradient ΔP spül,ist and the desired setpoint scavenging gradient ΔP spül,ist. If the scavenging gradient ΔP spül,is too low, the speed n EAV of the EAV is increased and the flushing gradient ΔP flush is too high, the speed of the EAV n EAV is reduced. An increased speed n EAV of the EAV now leads to an increased total pressure ratio Π tot,actual , which, however, is detected by the VTG controller 530 of the turbocharger and is compensated for by a greater opening of the guide vanes of the turbine, i.e. a larger value of the manipulated variable VTG adjust . By opening the guide vanes of the turbine, the back pressure P 3, actual on the internal combustion engine 550 is lowered, which leads to a desired increase in the scavenging gradient ΔP spül,actual .

Der Regelkreis 500 mit einem EAV ermöglicht die Umsetzung des Spülgefälles ΔPspül,ist im positiven Druckbereich von +25 mbar bis +100 mbar, vorzugsweise zwischen +40 mbar und +60 mbar.The control circuit 500 with an EAV enables the conversion of the flushing gradient ΔP flushing, is in the positive pressure range from +25 mbar to +100 mbar, preferably between +40 mbar and +60 mbar.

6 zeigt einen beispielhaften zeitlichen Verlauf des Einregelns des Öffnungswinkels (VTGstell) der Leitschaufeln der Turbine (102-1 in 4), des IST-Drehmomentes (MVKM,ist) der Verbrennungskraftmaschine (101 in 4), des Spülgefälles (ΔPspül,ist) und des Einregelns der Drehzahl (nEAV) der elektrischen Maschine des EAV (420-2 in 4). 6 shows an example of how the opening angle (VTG adjust ) of the guide vanes of the turbine (102-1 in 4 ), the ACTUAL torque (M VKM, actual ) of the internal combustion engine (101 in 4 ), the scavenging gradient (ΔP spül,ist ) and the adjustment of the speed (n EAV ) of the electrical machine of the EAV (420-2 in 4 ).

Die x-Achse von 6a entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 6a entspricht dem Öffnungswinkel (VTGstell) der verstellbaren Leitschaufeln der Turbine. Die x-Achse von 6b entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 6b entspricht dem IST-Drehmoment (MVKM,ist) der Verbrennungskraftmaschine. Die x-Achse von 6c entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 6c entspricht dem Spülgefälle (ΔPspül,ist). Die x-Achse von 6d entspricht der Zeitachse, und die y-Achse von 6d entspricht der Drehzahl des EAV (nEAV)) der elektrischen Maschine des EAV.The x-axis of 6a corresponds to the time axis, and the y-axis of 6a corresponds to the opening angle (VTG stell ) of the adjustable guide vanes of the turbine. The x-axis of 6b corresponds to the time axis, and the y-axis of 6b corresponds to the ACTUAL torque (M VKM, actual) of the internal combustion engine. The x-axis of 6c corresponds to the time axis, and the y-axis of 6c corresponds to the flushing gradient (ΔP flush, actual ). The x-axis of 6d corresponds to the time axis, and the y-axis of 6d corresponds to the speed of the EAV (n EAV )) of the electrical machine of the EAV.

Zuerst wird durch Schließen der VTG das IST-Drehmoment (durchgezogene Linie in 6b) auf das Soll- Drehmoment (gestrichelte Linie in 6b) der Verbrennungskraftmaschine eingestellt bzw. eingeregelt. Hierbei sinkt das IST-Spülgefälle (durchgezogene Linie in 6c) unter das Soll-Spülgefälle (gestrichelte Linie in 6c). Im Zeitpunkt T1 wird die Drehzahl des EAV gesteigert. Die verstellbaren Leitschaufeln des Verdichters werden weiter geöffnet, um den durch den EAV gesteigerte Ladedruck zu senken. Über die EAV-Drehzahl wird auf diese Weise das Soll-Spülgefälle eingeregelt. Der Zeitpunkt T1 kann bestimmt werden, wenn ein Differenzwert zwischen dem IST-Spülgefälle und dem Soll-Spülgefälle kleiner als ein vorbestimmter Wert ist. Mit anderen Worten, die Drehzahl des EAV kann gesteigert werden, wenn ein Differenzwert zwischen dem IST-Spülgefälle und dem Soll-Spülgefälle kleiner als ein vorbestimmter Wert ist.First, by closing the VTG, the ACTUAL torque (solid line in 6b) to the target torque (dashed line in 6b) the internal combustion engine is set or regulated. The ACTUAL flushing gradient (solid line in 6c ) below the target flushing gradient (dashed line in 6c ). At time T1, the speed of the EAV is increased. The compressor's adjustable guide vanes are opened further in order to reduce the charge pressure increased by the EPC. In this way, the target scavenging gradient is regulated via the EAV speed. Time T1 can be determined when a difference between the actual scavenging gradient and the target scavenging gradient is less than a predetermined value is. In other words, the speed of the EAV can be increased if a difference between the actual scavenging gradient and the target scavenging gradient is less than a predetermined value.

7 zeigt, als ein Ausführungsbeispiel, ein Fahrzeug mit einer Motoranordnung. Die Motoranordnung 710 umfasst ein Motorsteuergerät 720, einen Verbrennungsmotor (101 in 1 oder 4). Das Motorsteuergerät 720 ist dazu ausgebildet, den Regelkreis für die Ladedruckregelung nach 2 oder 5 durchzuführen. 7 12 shows, as one embodiment, a vehicle having an engine assembly. The engine assembly 710 includes an engine controller 720, an internal combustion engine (101 in 1 or 4 ). The engine control unit 720 is designed to follow the control loop for the boost pressure control 2 or 5 to perform.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Fahrzeugvehicle
101101
Verbrennungskraftmaschineinternal combustion engine
102102
elektrisch unterstützten Abgasturboladerelectrically assisted exhaust gas turbocharger
102-1102-1
Turbineturbine
102-2102-2
elektrische Maschineelectric machine
102-3102-3
Verdichtercompressor
102-4102-4
euATL-WelleeuATL wave
103103
Ladeluftkühlerintercooler
104104
Drosselklappethrottle
105105
Niederdruck-AbgasrückführungLow-pressure exhaust gas recirculation
200200
Regelkreiscontrol loop
210210
Ladedruckreglerboost pressure regulator
220220
Drehzahlregler des euATLeuATL speed controller
230230
Variable-Turbinengeometrie-Lader (VTG)-ReglerVariable Turbine Geometry Supercharger (VTG) governor
240240
euATL-TurbineeuATL turbine
250250
euATL-WelleeuATL wave
260260
euATL-VerdichtereuATL compressor
270270
Verbrennungskraftmaschineinternal combustion engine
280280
elektrische Maschineelectric machine
290290
elektrischen-Maschinenreglerelectric-machine controller
400400
Fahrzeugvehicle
410410
Abgasturboladerexhaust gas turbocharger
420420
elektrisch angetriebene Verdichterelectrically driven compressors
420-1420-1
EAV-VerdichterEAV compressor
420-2420-2
elektrische Maschineelectric machine
430430
Bypassklappebypass damper
500500
Regelkreiscontrol loop
510510
Ladedruckreglerboost pressure regulator
520520
Drehzahlregler des EAVSpeed controller of the EAV
530530
VTG-ReglerVTG controller
540540
ATL-TurbineATL turbine
550550
Verbrennungskraftmaschineinternal combustion engine
560560
EAVEAV
700700
Fahrzeugvehicle
710710
Motoranordnungengine arrangement
720720
Motorsteuergerätengine control unit
ΠsollΠshould
Soll-LadedruckTarget boost pressure
ΠistΠis
Ist-LadedruckActual boost pressure
Πges,sollΠtot
Gesamt-Druckverhältnisoverall pressure ratio
Πges,istΠtot,is
Ist-Druckverhältnissactual pressure ratio
P1,istP1,is
Druck vor dem euATL-VerdichterPressure before the euATL compressor
P2,istP2,is
Ladedruckboost pressure
P3,istP3,is
Gegendruckback pressure
ΔPspül,istΔPrinse,is
Ist-Spülgefällesactual flushing gradient
ΔPspül,sollΔPrinse,set
Soll-SpülgefälleTarget flush gradient
MVKM,sollMVKM, target
Verbrennungskraftmaschine-Soll-DrehmomentInternal combustion engine target torque
MVKM,istMVKM,is
Verbrennungskraftmaschine-Ist-DrehmomentInternal combustion engine actual torque
Mel,soll,euATLMel,sol,euATL
Soll-Drehmoment der elektrischen MaschineTarget torque of the electric machine
Mel,ist,euATLMel,ist,euATL
IST-Drehmoment der elektrischen MaschineACTUAL torque of the electrical machine
Mth,euATLMth,euATL
Drehmoment des euATLtorque of the euATL
nsoll,euATLnsoll,euATL
Soll-Drehzahl des euATLTarget speed of the euATL
nist, euATLnist, euATL
IST-Drehzahl des euATL/ VerdichterdruckverhältnisActual speed of the euATL/compressor pressure ratio
nist,euATLnist,euATL
Ist-Drehzahl des euATL-VerdichterActual speed of the euATL compressor
nEAVnEAV
Drehzahl des EAVspeed of the EAV
VTGstellVTG deputy
Variable-TurbinengeometrieVariable Turbine Geometry

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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  • DE 102009053354 A1 [0005]DE 102009053354 A1 [0005]

Claims (10)

Verfahren zur Laderdruckeinstellung einer Verbrennungskraftmaschine (101) mit einem Abgasturbolader (102; 410), einer Niederdruck-Abgasrückführung (105) und einer elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung (102-2; 420-2) zur Unterstützung beim Aufbau eines Ladedrucks (P2,ist), umfassend: - Entnehmen eines Abgasstroms aus der Verbrennungskraftmaschine (101) nach einer Turbine (102-1) des Abgasturboladers (102; 410) und Beimischen zu einem Frischluftstrom vor einem Verdichter (102-3) des Abgasturboladers (102; 410); - Ermitteln eines Spülgefälles (ΔPspül,ist) anhand eines von einer Turbine des Abgasturboladers erzeugten Gegendrucks (P3,ist) auf die Verbrennungskraftmaschine (101) und eines Ladedrucks (P2,ist) für die Verbrennungskraftmaschine (101); - Ermitteln, ob das Spülgefälle (ΔPspül,ist) in einem vorbestimmten Druckbereich liegt; - Einstellen des Ladedrucks (P2,ist) durch die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung (102-2; 420-2), um das Spülgefälle (ΔPspül,ist) in dem vorbestimmten Druckbereich zu halten.Method for setting the charging pressure of an internal combustion engine (101) with an exhaust gas turbocharger (102; 410), a low-pressure exhaust gas recirculation (105) and an electrically driven charging device (102-2; 420-2) to support the build-up of a charging pressure (P 2, actual ) , comprising: - removing an exhaust gas flow from the internal combustion engine (101) after a turbine (102-1) of the exhaust gas turbocharger (102; 410) and mixing it into a fresh air flow before a compressor (102-3) of the exhaust gas turbocharger (102; 410); - Determining a scavenging gradient (ΔP rinsing, actual ) based on a back pressure (P 3, actual ) generated by a turbine of the exhaust gas turbocharger on the internal combustion engine (101) and a boost pressure (P 2, actual ) for the internal combustion engine (101); - Determining whether the flushing gradient (ΔP flush,actual) is in a predetermined pressure range; - Adjusting the charging pressure (P 2, actual) by the electrically driven charging device (102-2; 420-2) in order to keep the scavenging drop (ΔP spül,actual ) in the predetermined pressure range. Ladedruckregelungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Druckbereich in einem positiven Druckbereich von einschließlich +25 mbar bis zu +100 mbar, vorzugsweise von einschließlich +40 mbar bis zu +60 mbar, liegt.Boost pressure control procedure claim 1 , wherein the predetermined pressure range is in a positive pressure range from +25 mbar up to +100 mbar inclusive, preferably from +40 mbar up to +60 mbar inclusive. Ladedruckregelungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbrennungskraftmaschine (101) ein Ottomotor ist.Boost pressure control procedure claim 1 or 2 , wherein the internal combustion engine (101) is an Otto engine. Ladedruckregelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Abgasturbolader (102) ein elektrisch unterstützter Abgasturbolader (euATL) ist und eine elektrische Maschine (102-2) umfasst, die der elektrisch angetriebenen Ladeeinrichtung (102-2; 420-2) entspricht.Boost pressure control method according to one of Claims 1 until 3 , wherein the exhaust gas turbocharger (102) is an electrically assisted exhaust gas turbocharger (euATL) and comprises an electric machine (102-2) which corresponds to the electrically driven charging device (102-2; 420-2). Ladedruckregelungsverfahren nach Anspruch 4, ferner umfasst: - Einstellen eines Drehmoments (Mel,ist,euATL) der elektrischen Maschine (102-2) anhand des Spülgefälles (ΔPspül,ist) und eines gewünschten Spülgefälles (ΔPspül,soll); - Addieren des Drehmoments (Mel,ist,euATL) der elektrische Maschine (102-2) zu einem Drehmoment (Mth,euATL) des Abgasturboladers (102).Boost pressure control procedure claim 4 , further comprising: - setting a torque (M el,actual,euATL ) of the electric machine (102-2) based on the scavenging gradient (ΔP rinsing,actual ) and a desired scavenging gradient (ΔP rinsing,setpoint ); - Adding the torque (M el, ist, euATL ) of the electric machine (102-2) to a torque (M th, euATL ) of the exhaust gas turbocharger (102). Ladedruckregelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die elektrisch angetriebene Ladeeinrichtung (102-2; 420-2) eine elektrische Maschine (420-2) eines elektrisch angetriebenen Verdichters (420) ist.Boost pressure control method according to one of Claims 1 until 3 , wherein the electrically driven charging device (102-2; 420-2) is an electric machine (420-2) of an electrically driven compressor (420). Ladedruckregelungsverfahren nach Anspruch 6, ferner umfasst: - Einstellen einer Drehzahl (nEAV) des elektrisch angetriebenen Verdichters (420) anhand des Spülgefälles (ΔPspül,ist) und eines gewünschten Spülgefälles (ΔPspül,soll).Boost pressure control procedure claim 6 , further comprising: - setting a speed (n EAV ) of the electrically driven compressor (420) based on the scavenging gradient (ΔP rinsing, actual ) and a desired scavenging gradient (ΔP rinsing, target ). Ladedruckregelungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abgasturbolader (102; 410) ein Variable-Turbinengeometrie-Lader ist.Boost pressure control method according to one of Claims 1 until 7 , wherein the exhaust gas turbocharger (102; 410) is a variable turbine geometry charger. Motoranordnung umfassend ein Motorsteuergerät (720), welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 durchzuführen.Engine assembly comprising an engine control unit (720), which is adapted to a method according to one of Claims 1 until 8th to perform. Fahrzeug (100; 400; 700) mit einer Motoranordnung nach Anspruch 9.Vehicle (100; 400; 700) having an engine assembly according to claim 9 .
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