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.
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
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.
- - 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.
- - 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.
- - 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.
-
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.
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.
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
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
Die Drosselklappe 104 befindet sich im Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine 101. Die Drosselklappe 104 regelt die Luftzufuhr für die Verbrennungskraftmaschine 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
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
Der Ladedruckregler 210 bestimmt den vom euATL-Verdichter (102-3 in
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
Die x-Achse von
Zuerst wird durch Schließen der VTG das IST-Drehmoment (durchgezogene Linie in
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
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
Der Ladedruckregler 510 bestimmt das bereitzustellende Gesamt-Druckverhältnis Πges,soll anhand des Drucks P1,ist vor dem Verdichter (102-3 in
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
Die x-Achse von
Zuerst wird durch Schließen der VTG das IST-Drehmoment (durchgezogene Linie in
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
- EP 2006516 A1 [0003]EP 2006516 A1 [0003]
- DE 102012009288 A1 [0004]DE 102012009288 A1 [0004]
- DE 102009053354 A1 [0005]DE 102009053354 A1 [0005]
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DE102021200599.3A DE102021200599A1 (en) | 2021-01-22 | 2021-01-22 | Supercharger pressure adjustment method, engine layout and vehicle |
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ID=82493571
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-
2021
- 2021-01-22 DE DE102021200599.3A patent/DE102021200599A1/en active Pending
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