DE10203309A1 - Air compressing, self-igniting combustion engine with exhaust gas turbocharger has fan that sucks air from induction flow downstream of compressor, heated catalyzer upstream of turbine - Google Patents

Air compressing, self-igniting combustion engine with exhaust gas turbocharger has fan that sucks air from induction flow downstream of compressor, heated catalyzer upstream of turbine

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Abstract

The engine has an exhaust gas turbocharger with turbine and compressor, a fan for feeding additional air into a connecting tube between a cylinder head and the turbine, a catalyzer, an exhaust gas feedback device and a fuel injection system with adjustable injection time/quantity. The fan sucks the air from the induction flow downstream of the compressor and the catalyzer is arranged upstream of the turbine. The catalyzer is electrically heated. The engine has an exhaust gas turbocharger with a turbine (2a) and a compressor (2b), a fan (3) for feeding additional air into a connecting tube between a cylinder head and the turbocharger's turbine, a catalyzer (6) for treating exhaust gas, an exhaust gas feedback device and a fuel injection system whose injection time and quantity are variably adjustable. The fan sucks the air from the induction flow downstream of the compressor and the catalyzer is arranged upstream of the turbine. The catalyzer is electrically heated. An Independent claim is also included for a method of operating the above internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 4. The invention relates to an air-compressing, self-igniting Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger with the features the preamble of claim 1 and a method with the Features of the preamble of claim 4.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 22 16 059 ist eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit Turbine und Verdichter, einem Gebläse zum Zuführen von zusätzlicher Luft in ein Verbindungsrohr zwischen einem Zylinderkopf und der Turbine des Abgasturboladers bekannt. Diese Brennkraftmaschine weist weiterhin eine Vorrichtung auf zur Abgasrückführung und eine variables Kraftstoffeinspritzsystem in das Verbindungsrohr zwischen dem Zylinderkopf und dem Abgasturbolader. Der Katalysator zur Abgasnachbehandlung ist stromab der Turbine des Abgasturboladers angeordnet und wird von dem expandierten und teilweise abgekühlten Abgas aus dem Abgasturbolader versorgt. Das Gebläse zum Zuführen von Frischluft von außerhalb des Systems, zum Beispiel von einem Luftfilter, bläst die Frischluft an einem Drosselelement zum Beispiel einer Absperrklappe vorbei in ein Rohr, das die Ladeluftleitung mit dem Verbindungsrohr zwischen dem Zylinderkopf und der Turbine des Abgasturboladers verbindet. Der Volumenstrom der Ladeluft, der von der Ladeluftleitung in das Verbindungsrohr zwischen dem Zylinderkopf und der Turbine aufgrund des Druckgefälles strömt, wird durch ein Drosselelement, zum Beispiel einer Absperrklappe, geregelt. Das Gebläse ist in seinem Volumenstrom unabhängig vom Ladeluftstrom mittels eines Drosselelements, zum Beispiel einer Absperrklappe, regelbar. Der zusätzlich eingeblasene Kraftstoff wird mit der durch das Gebläse zusätzlich in das Verbindungsrohr eingeblasenen Luft verbrannt und vergrößert damit die Turbinenleistung des Abgasturboladers. From the German Patent Application 22 16 059 is a air-compressing, self-igniting internal combustion engine with a Turbocharger with turbine and compressor, a blower for Supply additional air into a connecting pipe between a cylinder head and the turbine of the exhaust gas turbocharger known. This internal combustion engine also has a Device on for exhaust gas recirculation and a variable Fuel injection system in the connecting pipe between the Cylinder head and the turbocharger. The catalyst for Exhaust aftertreatment is downstream of the turbine of the Exhaust gas turbocharger arranged and is from the expanded and partially cooled exhaust gas supplied from the exhaust gas turbocharger. The blower for supplying fresh air from outside the Systems, for example, from an air filter, blowing the Fresh air to a throttle element, for example one Shut-off valve in a pipe, which the charge air line with the connecting pipe between the cylinder head and the turbine the exhaust gas turbocharger connects. The volume flow of the charge air, from the charge air duct into the connecting pipe between the Cylinder head and the turbine due to the pressure gradient flows, is through a throttle element, for example one Butterfly valve, regulated. The blower is in its volume flow independent of the charge air flow by means of a throttle element, for Example of a butterfly valve, adjustable. The additional Injected fuel is blown by the blower additionally burned in the connecting pipe blown air and thus increases the turbine power of the exhaust gas turbocharger.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Ansprechverhalten des Turboladers und die Abgasemission in einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine mit Abgasturbolader, einem zusätzlichen Gebläse und einem Katalysator zu verbessern. The object of the invention is to improve the response of the Turbocharger and the exhaust emission in an air compressing, self-igniting internal combustion engine with turbocharger, a additional blower and a catalyst to improve.

Diese Aufgabe wird durch eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 4 gelöst. This task is performed by an air-compressing, self-igniting Internal combustion engine with the features of claim 1 and by a method with the features of claim 4 solved.

Die erfindungsgemäße luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass das Gebläse in einem Rohr angeordnet ist, das die Ladeluftleitung mit dem Verbindungsrohr zwischen Zylinderkopf und Turbine des Abgasturboladers verbindet. Dadurch bläst das Gebläse Ladeluft aus der Ladeluftleitung, d. h. stromab des Verdichters des Abgasturboladers, in das Verbindungsrohr. Des weiteren ist der Katalysator zur Abgasnachbehandlung vor der Turbine des Abgasturboladers angeordnet. The inventive air-compressing, self-igniting Internal combustion engine is characterized by the fact that the blower is arranged in a tube, which the charge air line with the Connecting pipe between cylinder head and turbine of the Exhaust gas turbocharger connects. As a result, the blower blows charge air from the charge air duct, d. H. downstream of the compressor of the Exhaust gas turbocharger, in the connecting pipe. Furthermore, the Catalyst for exhaust aftertreatment in front of the turbine of the Exhaust gas turbocharger arranged.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem Gebläse und dem Verbindungsrohr, das den Zylinderkopf mit dem Katalysator und der Turbine des Abgasturboladers verbindet, eine schaltbare Klappe vorgesehen. Die Klappe kann sowohl aufgrund der Druckverhältnisse vor und nach der Klappe geschaltet werden, d. h. sie ist als Rückschlagklappe ausgeführt. Sie kann aber auch aktiv von einem Steuergerät geschaltet werden. In an advantageous embodiment of the invention is between the Blower and the connecting pipe, which the cylinder head with the Catalytic converter and the turbine of the exhaust gas turbocharger, a switchable flap provided. The flap can both due to the pressure conditions before and after the flap be switched, d. H. it is as a check valve executed. It can also be active from a control unit be switched.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist im Verbindungsrohr, das den Zylinderkopf mit dem Katalysator und der Turbine des Abgasturboladers verbindet, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung angeordnet. Der Zeitpunkt und die Menge des eingespritzten Kraftstoffes wird von einem Motorsteuergerät gesteuert. In a further embodiment of the invention is in the connecting tube, that the cylinder head with the catalyst and the turbine of the Exhaust gas turbocharger connects, a fuel injector arranged. The timing and amount of the injected Fuel is controlled by an engine control unit.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein Teil des Volumenstromes der Ladeluft nach dem Verdichter entnommen wird und vor dem Katalysator dem Abgasstrom beigemischt wird. Durch dieses Verfahren wird durch die Vergrößerung des Volumenstromes vor der Turbine die Turbinenleistung erhöht. Ein derartiges Verfahren ist beim Beschleunigen aus niedrigen Drehzahlen von Vorteil, da in diesen Betriebspunkten die Brennkraftmaschine einen nicht ausreichenden Volumenstrom zum schnellen Hochbeschleunigen der Turbine liefert. Weiterhin wird durch die Entnahme des Teilvolumenstromes aus der Ladeluftleitung der Betriebspunkt des Verdichters des Abgasturboladers entlang der Pumpgrenze zu einem höheren Druckverhältnis verschoben, d. h. die Gefahr des sogenannten Verdichterpumpens wird verringert. Die Pumpgrenze eines Abgasturboladers ist in einem Diagramm, in dem das Druckverhältnis pi des Druckes p2 nach dem Verdichter zu dem Druck p1 vor dem Verdichter über dem Volumenstrom ≙des Verdichters aufgetragen ist, eine linear oder exponentiell verlaufende Linie. Der zulässige Betriebsbereich für einen Abgasturbolader liegt auf der Seite der Linie, die größe Volumenströme ≙ und kleine Druckverhältnisse pi bestimmt. Bei einem Betrieb in unmittelbarer Nähe der Pumpgrenze ist eine Vergrößerung des Druckverhältnisses pi ohne Überschreiten der Pumpgrenze nur dadurch möglich, dass der Volumenstrom ≙ vergrößert wird. Eine Vergrößerung des Druckverhältnisses pi ist für ein schnelles Beschleunigen der Brennkraftmaschine von Vorteil. Eine Vergrößerung des Volumenstromes ≙ wird auf einfache Weise erreicht. Der Volumenstrom ≙ setzt sich aus dem von der Brennkraftmaschine geschluckten Ladeluftvolumenstrom und dem durch das Gebläse geförderten Volumenstrom zusammen. Der von der Brennkraftmaschine geschluckte Ladeluftvolumenstrom ist außer vom Druckverhältnisse pi von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig und somit nicht beliebig vergrößerbar. Durch das Gebläse zwischen Ladeluftleitung und dem Verbindungsrohr zwischen Zylinderkopf und Turbine des Abgasturboladers ist auf einfache Weise der Luftstrom von der Ladeluftleitung zum Verbindungsrohr vergrößerbar. Damit wird auch der Volumenstrom ≙, der sich als Summe der beiden Teilluftvolumenströme durch die Brennkraftmaschine und das Gebläse darstellt, größer und das Druckverhältnis pi kann entlang der Linie der Pumpgrenze vergrößert werden. Dieses Verfahren verbessert das Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine hinsichtlich Beschleunigungszeit und Abgasemission. The method according to the invention is characterized in that part of the volume flow of the charge air is removed after the compressor and admixed before the catalyst to the exhaust gas flow. By this method, the turbine power is increased by increasing the volume flow in front of the turbine. Such a method is advantageous when accelerating from low speeds, since in these operating points the internal combustion engine supplies an insufficient volume flow for quickly accelerating the turbine. Furthermore, the operating point of the compressor of the exhaust gas turbocharger is shifted along the surge line to a higher pressure ratio by removing the partial volume flow from the charge air line, ie the risk of so-called compressor pumping is reduced. The surge limit of an exhaust gas turbocharger is a graph in which the pressure ratio p i of the pressure p 2 after the compressor to the pressure p 1 before the compressor is plotted against the volume flow ≙ of the compressor, a linear or exponential line. The permissible operating range for an exhaust gas turbocharger is on the side of the line, which determines the size of the volume flows ≙ and small pressure ratios p i . When operating close to the surge limit is an enlargement of the pressure ratio p i without exceeding the surge limit only possible that the volume flow ≙ is increased. An increase in the pressure ratio p i is advantageous for a rapid acceleration of the internal combustion engine. An increase in the volume flow ≙ is achieved in a simple manner. The volume flow ≙ is composed of the charge air volume flow absorbed by the internal combustion engine and the volume flow conveyed by the fan. The charge air volume flow that is swallowed by the internal combustion engine is dependent on the rotational speed of the internal combustion engine, apart from the pressure conditions p i, and thus can not be arbitrarily increased. By the fan between the charge air line and the connecting pipe between the cylinder head and turbine of the exhaust gas turbocharger, the air flow from the charge air line to the connecting pipe can be increased in a simple manner. Thus, the volume flow ≙, which is the sum of the two partial air volume flows through the internal combustion engine and the blower, becomes larger and the pressure ratio p i can be increased along the line of the pumping limit. This method improves the acceleration performance of the internal combustion engine with respect to acceleration time and exhaust emission.

In Ausgestaltung der Erfindung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Enthalpieerhöhung des Abgases durch spätes Einspritzen, Voreinspritzen und/oder Nacheinspritzen des Kraftstoffes in einen Brennraum ein Teil unverbrannten Kraftstoffes in das Verbindungsrohr zum Katalysator gefördert und dort an der heißen Oberfläche entzündet und verbrannt. Enthalpieerhöhung bedeutet, dass die Temperatur des Abgases vor der Turbine oder der Gasmassenstrom vor der Turbine oder beides vergrößert wird. Aufgrund des Gebläses, das zusätzlich Luft in das Verbindungsrohr bläst, herrscht in diesem Verbindungsrohr zwischen dem Zylinderkopf und der Turbine Luftüberschuss. Durch ein spätes Einspritzen des Kraftstoffes in den Brennraum kann nicht aller Kraftstoff an der Verbrennung im Brennraum teilnehmen. Dieser Kraftstoff wird dann erfindungsgemäß im Verbindungsrohr und im Katalysator mit der zusätzlich eingeblasenen Luft verbrannt und erhöht damit die Enthalpie des Gases, was die Turbinen- und Verdichterleistung bzw. den Ladedruck des Abgasturboladers verbessert. D. h. die Turbine des Abgasturboladers wird beschleunigt und das Instationärverhalten bei Lastaufschaltung wird verbessert. Ein spätes Einspritzen bedeutet ein zeitlich längeres Einspritzen als für eine normale Verbrennung nötig, oder ein später Einspritzbeginn mit entsprechend späterem Einspritzende. Weiterhin kann zusätzlich Kraftstoff eingebracht werden durch Voreinspritzen oder Nacheinspritzen. Das bedeutet, dass vor bzw. nach der für die Verbrennung nötigen Kraftstoffmenge noch zusätzlich Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt wird, der dann nicht mehr im Brennraum zur Verbrennung gelangt, und im Verbindungsrohr und im Katalysator mit der zusätzlich eingeblasenen Luft verbrannt wird und die Enthalpie des Gases erhöht, was die Turbine des Abgasturboladers beschleunigen lässt. Verbrennen bedeutet, dass der Kraftstoff mit dem Sauerstoff reagiert, und zwar sowohl wahlweise im heißen Verbindungsrohr als auch im Katalysator, wobei eine Reaktion im Katalysator nur dann stattfindet, wenn im Verbindungsrohr zum Beispiel aufgrund zu niedriger Temperaturen keine oder keine vollständige Reaktion stattfindet. In an embodiment of the invention are in the inventive Process for increasing the enthalpy of the exhaust gas by late Injection, pre-injection and / or post-injection of the Fuel in a combustion chamber a part unburned Fuel promoted in the connecting pipe to the catalyst and there ignited and burned on the hot surface. Enthalpy increase means that the temperature of the exhaust gas before the turbine or the gas mass flow upstream of the turbine or both is enlarged. Due to the blower, the additional air in the connecting pipe blows, prevails in this connecting pipe between the cylinder head and the turbine excess air. By a late injection of the fuel into the combustion chamber can not all fuel is burning in the combustion chamber take part. This fuel is then inventively in Connecting pipe and in the catalyst with the addition Blown air burned, thus increasing the enthalpy of the air Gas, what the turbine and compressor performance and the Boost pressure of the exhaust gas turbocharger improved. Ie. the turbine of the Exhaust gas turbocharger is accelerated and the transient behavior load switching is improved. A late injection means a longer injection time than for a normal one Burning necessary, or a late start of injection with according to later injection end. Furthermore, in addition Fuel be introduced by pre-injection or Post-injection. This means that before or after for the Combustion fuel required additional fuel injected into the combustion chamber, which is then no longer in the Combustion chamber comes to combustion, and in the connecting pipe and burned in the catalyst with the additionally injected air and the enthalpy of the gas increases, causing the turbine of the Can accelerate exhaust gas turbocharger. Burning means that the fuel reacts with the oxygen, both optionally in the hot connection pipe as well as in the catalyst, wherein a reaction takes place in the catalyst only if in the connecting pipe, for example due to being too low Temperatures no or no complete reaction takes place.

In Ausgestaltung der Erfindung werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur weiteren Enthalpieerhöhung des Abgases zusätzlich Kraftstoff in das Verbindungsrohr zwischen Zylinderkopf und Turbine des Abgasturboladers eingespritzt. Durch diesen zusätzlichen Kraftstoff, der mit der Luft aus dem Luftüberschuss im Abgas sowohl wahlweise im heißen Verbindungsrohr als auch im Katalysator verbrennt bzw. reagiert, wird die Abgastemperatur und damit die Abgasenthalpie vor der Turbine des Abgasturboladers noch weiter erhöht. Eine zusätzliche Kraftstoffeinspritzung in das Verbindungsrohr ist dann vonnöten, wenn zum Beispiel aufgrund des Einspritzsystems keine Vor- oder Nacheinspritzung möglich ist. Das ist beispielsweise bei sogenannten Pumpe-Düse-Einspritzsystemen und Pumpe-Leitung-Düse-Einspritzsystemen der Fall. In an embodiment of the invention are in the inventive Method for further enthalpy of the exhaust gas in addition Fuel in the connecting pipe between the cylinder head and Turbine of the exhaust gas turbocharger injected. Through this additional fuel that comes out of the air Excess air in the exhaust both in the hot optional Connecting pipe as well as burned in the catalyst or reacts, the exhaust gas temperature and thus the exhaust gas enthalpy before the turbine of the exhaust gas turbocharger even further increased. A additional fuel injection into the connecting pipe is then need, if, for example, due to the injection system No pre- or post-injection is possible. This is For example, in so-called pump-nozzle injection systems and Pump line nozzle injection systems the case.

In Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der durch das Gebläse gelieferte Luftstrom zur Verbrennung des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffes verwendet. Durch den zusätzlichen Kraftstoff und den Sauerstoff der durch das Gebläse gelieferten Luft kann die Abgastemperatur und damit die Abgasenthalpie in gewissen Grenzen unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine vergrößert werden, was die Turbinen- und Verdichterleistung bzw. den Ladedruck des Abgasturboladers verbessert. D. h. die Turbine des Abgasturboladers wird beschleunigt und das Instationärverhalten bei Lastaufschaltung verbessert. In an embodiment of the invention is in the inventive Method of supplied by the blower air flow to Combustion of additionally injected fuel used. By the additional fuel and the oxygen the air supplied by the blower can be the exhaust gas temperature and thus the exhaust gas enthalpy within certain limits independent of Operating state of the internal combustion engine to be increased, what the turbine and compressor power or the boost pressure of the Exhaust gas turbocharger improved. Ie. the turbine of the Exhaust gas turbocharger is accelerated and the transient behavior improved at load application.

In Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Katalysator elektrisch beheizt. Eine elektrische zusätzliche Heizung des Katalysators verbessert nicht nur das Verhalten beim Kaltstart, sondern es wird auch das Reaktionsverhalten im Leerlauf und Teillastbetrieb verbessert, da bei höherer Temperatur der Sauerstoff besser mit dem Kraftstoff reagiert, der aus der zusätzlichen Einspritzung in das Verbindungsrohr oder aus einer nicht vollständigen Verbrennung im Brennraum der Brennkraftmaschine übrig ist. In an embodiment of the invention is in the inventive Method of catalyst electrically heated. An electric additional heating of the catalyst not only improves that Behavior at cold start, but it will be too Reaction behavior during idling and partial load operation improved, because at higher temperatures, the oxygen better with the Fuel reacts from the additional injection in the connecting pipe or from an incomplete Combustion in the combustion chamber of the internal combustion engine is left over.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie der Zeichnung. Ein Ausführungsbeispiel der 1 Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Further features and feature combinations emerge from the Description as well as the drawing. An embodiment of the 1 Invention is shown in simplified form in the drawing and in the following description. Show it:

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Anordnung einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine, Fig. 1 is a schematically illustrated arrangement of an internal combustion engine according to the invention,

Fig. 2 ein Zustandsdiagramm eines Abgasturboladers bei dem Druckverhältnis über dem Volumenstrom aufgetragen ist. Fig. 2 is a state diagram of an exhaust gas turbocharger at the pressure ratio is plotted against the volume flow.

In Fig. 1 ist schematisch eine luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2a, 2b mit Turbine 2a und Verdichter 2b, einem Gebläse 3 zum Zuführen von zusätzlicher Luft in ein Verbindungsrohr 4 zwischen einem Zylinderkopf 5 und der Turbine des Abgasturboladers, einem Katalysator 6, einer Abgasrückführleitung 7 und einem Kraftstoffeinspritzsystem 8 gezeigt. Ein Verdichter 2b fördert Luft durch die Ladeluftleitung 9 in den Brennraum 10 einer Brennkraftmaschine 1. Nach Beendigen des Arbeitstaktes wird das Abgas aus dem Zylinderkopf 5 in das Verbindungsrohr 4 geleitet. Ein Teil des Abgases wird betriebspunktabhängig durch die Abgasrückführleitung 7 und ein nicht gezeigtes Abgasrückführventil der Ladeluftleitung 9 zugeleitet. Ein Teil der durch den Verdichter 2b geförderten Ladeluft wird durch die Umgehungsleitung 11 über das Ventil 12 zum Gebläse 3 geleitet. Vom Gebläse 3 strömt die Luft über die federbelastete Rückschlagklappe 13 in das Verbindungsrohr 4. Das Ventil 12 wird in Verbindung mit dem Gebläse 3 so geschaltet, dass nur in den Betriebsbereichen, in denen das Gebläse Luft fördert, die Verbindung von der Ansaugseite, d. h. der Ladeluftleitung 9, zur Abgasseite, d. h. dem Verbindungsrohr 4, offen ist. In den Betriebsbereichen, in denen das Gebläse 3 keine Luft fördert, darf auf keinen Fall Abgas unkontrolliert auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine 1 gelangen, bzw. es darf keine Ladeluft, die zum Beispiel bei Volllast benötigt wird, am Brennraum 10 vorbei in das Verbindungsrohr 4 entweichen. Das Ventil 12 wird ebenso wie das Gebläse 3 vom Motorsteuergerät 14 angesteuert. Der durch das Einspritzsystem 8 in den Brennraum 10 eingespritzte Kraftstoff verbrennt vollständig im Brennraum oder wird teilweise in das Verbindungsrohr 4 eingebracht, falls eine zusätzliche Vor- oder Nacheinspritzung oder eine späte Einspritzung stattfindet. In diesem Falle findet die restliche Verbrennung mit der zusätzlich durch das Gebläse 3 eingeblasenen Luft im Verbindungsrohr 4 oder im nachgeschalteten Katalysator 6 statt. Dieses Nachverbrennen mindert die Schadstoffe im Abgas und erhöht die Abgasenthalpie in Form einer Temperatur- und Druckerhöhung. Eine erhöhte Abgasenthalpie ist für den schnellen Hochlauf der Turbine 2a bei Laständerungen von Vorteil und verbessert das Beschleunigungsverhalten der Brennkraftmaschine 1 insgesamt. Insbesondere beim Kaltstart ist es von Vorteil, den Katalysator 6 elektrisch vom Motorsteuergerät 14 angesteuert vorzuheizen. Im Verbindungsrohr 4 sind Einspritzvorrichtungen 15 vorgesehen, die zusätzlichen Kraftstoff einspritzen, der mit der durch das Gebläse 3 eingeblasenen Luft reagiert und die Abgasenthalpie zusätzlich erhöht. Die Einspritzvorrichtungen 15 werden vom Motorsteuergerät 14 angesteuert. In Fig. 1 is an air-compressive, auto-ignition internal combustion engine 1 with an exhaust gas turbocharger 2 a, 2 b with turbine 2 a and compressor 2 b, a blower 3 for supplying additional air into a connecting pipe 4 between a cylinder head 5 and the turbine of the exhaust gas turbocharger , a catalytic converter 6 , an exhaust gas recirculation line 7, and a fuel injection system 8 . A compressor 2 b conveys air through the charge air line 9 into the combustion chamber 10 of an internal combustion engine 1 . After completion of the power stroke, the exhaust gas from the cylinder head 5 is passed into the connecting pipe 4 . A portion of the exhaust gas is fed depending on the operating point through the exhaust gas recirculation line 7 and a not shown exhaust gas recirculation valve of the charge air line 9 . Part of the charge air conveyed through the compressor 2 b is conducted through the bypass line 11 via the valve 12 to the blower 3 . From the fan 3 , the air flows through the spring-loaded check valve 13 in the connecting pipe . 4 The valve 12 is switched in conjunction with the blower 3 so that only in the operating areas in which the fan promotes air, the connection from the suction side, ie the charge air duct 9 , to the exhaust side, ie the connecting pipe 4 , is open. In the operating areas in which the blower 3 does not convey air, exhaust gas must not reach the intake side of the internal combustion engine 1 in an uncontrolled manner, or no charge air, which is required, for example, at full load, may pass the combustion chamber 10 into the connecting pipe 4 escape. The valve 12 is controlled by the engine control unit 14 as well as the blower 3 . The injected by the injection system 8 in the combustion chamber 10 fuel completely burns in the combustion chamber or is partially introduced into the connecting pipe 4 , if an additional pre or post injection or a late injection takes place. In this case, the remaining combustion takes place with the additionally blown by the blower 3 air in the connecting pipe 4 or in the downstream catalyst 6 . This afterburning reduces the pollutants in the exhaust gas and increases the exhaust gas enthalpy in the form of a temperature and pressure increase. An increased exhaust gas enthalpy is for the rapid startup of the turbine 2 a in load changes of advantage and improves the acceleration performance of the internal combustion engine 1 overall. In particular, during a cold start, it is advantageous to electrically pre-heat the catalytic converter 6 controlled by the engine control unit 14 . In the connecting pipe 4 injectors 15 are provided which inject additional fuel, which reacts with the air blown through the fan 3 and the exhaust enthalpy additionally increased. The injection devices 15 are actuated by the engine control unit 14 .

In Fig. 2 ist ein Zustandsdiagramm eines Abgasturboladers einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine gezeigt, bei dem das Druckverhältnis pi des Druckes p2 nach dem Verdichter zu dem Druck p1 vor dem Verdichter über dem Volumenstrom ≙ des Verdichters qualitativ aufgetragen ist. In FIG. 2 is a state diagram of an exhaust gas turbocharger of an internal combustion engine according to the invention is shown in which the pressure ratio p i of the pressure p 2 after the compressor to the pressure p 1 in front of the compressor via the flow ≙ of the compressor is applied qualitatively.

Wichtige Kennlinien eines Zustandsdiagramms eines Abgasturboladers sind:

  • - die Linien konstanter Drehzahl 16a, 16b, 16c, 16d, wobei die Drehzahl von 16a in Richtung 16d steigt,
  • - die Linien gleichen Wirkungsgrades 17a, 17b, 17c, wobei der Wirkungsgrad des Abgasturboladers von 17a in Richtung 17c steigt,
  • - die Pumpgrenze 18
Important characteristics of a state diagram of an exhaust gas turbocharger are:
  • - The lines of constant speed 16 a, 16 b, 16 c, 16 d, the speed of 16 a increases in the direction 16 d,
  • - The lines of equal efficiency 17 a, 17 b, 17 c, the efficiency of the exhaust gas turbocharger from 17 a toward 17 c increases,
  • - the surge limit 18

Vorteilhafte Betriebspunkte bzw. Betriebsbereiche sind innerhalb des Kurvenzuges 17c zu finden, da dort der größte Wirkungsgrad des Abgasturboladers verwirklicht wird. Die Pumpgrenze 18 ist eine Grenzlinie, die nicht unterschritten werden soll, d. h. der Volumenstrom ≙ darf bei einem gegebenen Druckverhältnis pi nicht zu klein werden. Ansonsten wird bei dem zu geringen Volumenstrom ≙ das Druckverhältnis zu groß und der Verdichter beginnt zu pumpen, d. h. die Luft strömt rückwärts und beaufschlagt wieder das Verdichterrad. Das ist mit einer erhöhten Bauteilbelastung vor allem durch Schwingungen verbunden, die das Verdichterrad zerstören können. Aus diesen Gründen wird im Allgemeinen die Regelung und Steuerung von Abgasturboladern so ausgelegt, dass immer ein gewisser Abstand zur Pumpgrenze 18 bestehen bleibt. Dieses Vorgehen hat insbesondere beim Hochlauf der Brennkraftmaschine 1 aus niedrigen Drehzahlen, mit entsprechend niedrigen Drehzahlen des Abgasturboladers, Nachteile beim Ladedruckaufbau und bei der Lieferung von Ladeluft. Advantageous operating points or operating ranges can be found within the curve 17 c, since there the greatest efficiency of the exhaust gas turbocharger is realized. The surge limit 18 is a limit that should not be undershot, ie, the flow rate ≙ may not be too small at a given pressure ratio p i . Otherwise, if the volume flow ≙ is too low, the pressure ratio becomes too great and the compressor starts to pump, ie the air flows backwards and again acts on the compressor wheel. This is associated with an increased component load mainly due to vibrations that can destroy the compressor wheel. For these reasons, the regulation and control of exhaust gas turbochargers is generally designed so that always a certain distance from the surge line 18 remains. This procedure has disadvantages, especially during startup of the internal combustion engine 1 from low speeds, with correspondingly low rotational speeds of the exhaust gas turbocharger, in boost pressure buildup and in the delivery of charge air.

Vereinfacht dargestellt findet das erfindungsgemäße Verfahren auf folgende Weise statt: Die Brennkraftmaschine 1 befindet sich in einem Betriebszustand mit niedriger Drehzahl. In simplified terms, the method according to the invention takes place in the following manner: The internal combustion engine 1 is in an operating state at low speed.

Entsprechend klein ist die Drehzahl des Abgasturboladers 2a, 2b. Durch Kraftstoffeinspritzen in den Brennraum 10 der Brennkraftmaschine 1 und Verbrennen wird die Abgasenthalpie erhöht und der Turbolader 2a, 2b erhöht dadurch seine Drehzahl. Da die Brennkraftmaschine 1 nicht im gleichen Maße beschleunigt, wirkt sich eine Drehzahlerhöhung wie eine Druckerhöhung nach dem Verdichter 2b des Abgasturboladers aus, da der Volumenstrom ≙ ungefähr konstant bleibt. Der Volumenstrom ≙ entspricht dem Ladeluftvolumen pro Zeiteinheit, das die Brennkraftmaschine 1 zu schlucken vermag. Dies entspricht dem Verschieben des Betriebspunktes in Fig. 2 von Punkt 19 zu Punkt 20 im Diagramm. Um eine weitere Druckerhöhung zu ermöglichen, was das Beschleunigungsverhalten verbessert, ist nur eine Verschiebung des Betriebspunktes unterhalb der Pumpgrenze 18 möglich. Correspondingly small is the speed of the exhaust gas turbocharger 2 a, 2 b. By fuel injection into the combustion chamber 10 of the internal combustion engine 1 and burning the exhaust gas enthalpy is increased and the turbocharger 2 a, 2 b thereby increases its speed. Since the internal combustion engine 1 does not accelerate to the same extent, an increase in speed, such as an increase in pressure downstream of the compressor 2 b of the exhaust gas turbocharger, has an effect because the volume flow ≙ remains approximately constant. The volume flow ≙ corresponds to the charge air volume per unit time that the internal combustion engine 1 is able to swallow. This corresponds to shifting the operating point in FIG. 2 from point 19 to point 20 in the diagram. In order to enable a further pressure increase, which improves the acceleration behavior, only a shift of the operating point below the surge limit 18 is possible.

Bei gleichbleibendem oder nahezu gleichbleibendem Schluckvolumen der Brennkraftmaschine 1 kann der Volumenstrom ≙ des Verdichters dadurch vergrößert werden, dass ein Teilvolumenstrom über die Umgehungsleitung 11 und das Gebläse 3 zum Verbindungsrohr 4 gefördert wird. Dort ergibt sich die Möglichkeit einer zusätzlichen Kraftstoffeinspritzung und damit einer Enthalpieerhöhung des Abgases. Bei gleichem Druckverhältnis Pi vergrößert sich der Volumenstrom ≙, der Betriebspunkt 21 im Diagramm wird erreicht. Von hier aus lässt sich das Druckverhältnis wiederum steigern, was das Beschleunigungsverhalten verbessert, bis zum Erreichen der Pumpgrenze 18, was dem Betriebspunkt 22 entspricht. With constant or almost constant displacement of the internal combustion engine 1 , the volumetric flow ≙ of the compressor can be increased by conveying a partial volume flow via the bypass 11 and the fan 3 to the connecting pipe 4 . There, there is the possibility of an additional fuel injection and thus an enthalpy of the exhaust gas. At the same pressure ratio P i , the volume flow ≙ increases, the operating point 21 in the diagram is reached. From here, the pressure ratio can be increased again, which improves the acceleration behavior, until reaching the surge line 18 , which corresponds to the operating point 22 .

Auf diese iterative Vorgehensweise wird der Abgasturbolader 2a, 2b unterhalb entlang der Pumpgrenze 18 schnell und zuverlässig zu einem Betriebspunkt 23 geregelt, von wo aus der optimale Betriebsbereich im Kennfeld innerhalb des Linienzuges 17c angesteuert wird. In this iterative approach, the exhaust gas turbocharger 2 a, 2 b is controlled below the surge line 18 quickly and reliably to an operating point 23 , from where the optimal operating range in the map within the line 17 c is controlled.

Durch Abzweigen eines Teilvolumenstromes aus dem Volumenstrom ≙ des Verdichters und anschließender Zufuhr zu dem Abgasstrom mit zusätzlicher Nachverbrennung ist ein schnellerer Hochlauf bzw. ein besseres Instationärverhalten bei plötzlicher Laständerung an der Brennkraftmaschine gewährleistet als bei einer konventionellen Anordnung. By branching off a partial volume flow from the volume flow  ≙ of the compressor and subsequent supply to the exhaust stream with additional afterburning is a faster run-up or a better transient behavior in case of sudden Load change to the internal combustion engine guaranteed as at a conventional arrangement.

Claims (8)

1. Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit Turbine und Verdichter, einem Gebläse zum Zuführen von zusätzlicher Luft in ein Verbindungsrohr zwischen einem Zylinderkopf und der Turbine des Abgasturboladers, mit einem Katalysator zur Abgasnachbehandlung, einer Vorrichtung zur Abgasrückführung und mit einem Kraftstoffeinspritzsystem, dessen Einspritzzeit und - menge variabel einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gebläse (3) die Luft aus dem Ansaugluftstrom stromab des Verdichters (2b) ansaugt und dass der Katalysator (6) stromauf der Turbine (2a) angeordnet ist. An air-compressing auto-ignition internal combustion engine having a turbocharger with turbine and compressor, a blower for supplying additional air into a connecting pipe between a cylinder head and the turbine of the exhaust gas turbocharger, with an exhaust gas aftertreatment catalyst, an exhaust gas recirculation device and a fuel injection system whose injection time and - amount is variably adjustable, characterized in that the fan ( 3 ) sucks the air from the intake air flow downstream of the compressor ( 2 b) and that the catalyst ( 6 ) upstream of the turbine ( 2 a) is arranged. 2. Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gebläse (3) und dem zwischen dem Zylinderkopf (5) und der Turbine (2a) des Abgasturboladers (2a, 2b) angeordneten Verbindungsrohr (4) eine schaltbare Klappe (13) vorgesehen ist. 2. Air-compressing, self-igniting internal combustion engine according to claim 1, characterized in that between the fan ( 3 ) and between the cylinder head ( 5 ) and the turbine ( 2 a) of the exhaust gas turbocharger ( 2 a, 2 b) arranged connecting pipe ( 4 ) a switchable flap ( 13 ) is provided. 3. Luftverdichtende, selbstzündende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Verbindungsrohr (4) zwischen dem Zylinderkopf (5) und der Turbine (2a) eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (15) vorgesehen ist. 3. air-compression, auto-ignition internal combustion engine according to claim 1 or 2, characterized in that in the connecting tube ( 4 ) between the cylinder head ( 5 ) and the turbine ( 2 a), a fuel injection device ( 15 ) is provided. 4. Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Entnahme eines Teilvolumenstromes der Ansaugluft nach dem Verdichter (2b) und Zuführen des Teilvolumenstromes vor den Katalysator (6) der Betriebspunkt des Verdichters entlang der Pumpgrenze (18) zu einem höheren Druckverhältnis verschoben und gleichzeitig durch den Teilvolumenstrom vor der Turbine (2a) die Turbinenleistung erhöht wird. 4. A method for operating the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, characterized in that by removing a partial volume flow of the intake air to the compressor ( 2 b) and supplying the partial volume flow upstream of the catalyst ( 6 ) the operating point of the compressor along the surge line ( 18 ) shifted to a higher pressure ratio and at the same time by the partial volume flow upstream of the turbine ( 2 a), the turbine power is increased. 5. Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Enthalpieerhöhung des Abgases durch spätes Einspritzen, Voreinspritzen und/oder Nacheinspritzen des Kraftstoffes in einen Brennraum (10) ein Teil unverbrannten Kraftstoffes in das Verbindungsrohr (4) zum Katalysator (6) gelangt und dort an der heißen Oberfläche entzündet und verbrannt wird. 5. A method for operating the internal combustion engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the enthalpy of the exhaust gas by late injection, pre-injection and / or post-injection of the fuel into a combustion chamber ( 10 ) a portion of unburned fuel in the connecting tube ( 4 ) to the catalyst ( 6 ) passes and is ignited there on the hot surface and burned. 6. Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Enthalpieerhöhung des Abgases zusätzlich Kraftstoff in das Verbindungsrohr (4) eingespritzt wird. 6. A method for operating the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 5, characterized in that for further enthalpy of the exhaust gas additionally fuel in the connecting pipe ( 4 ) is injected. 7. Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das Gebläse (3) gelieferte Teilvolumenstrom zur Verbrennung des zusätzlich eingespritzten Kraftstoffes verwendet wird. 7. A method for operating the internal combustion engine according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the delivered by the blower ( 3 ) partial volume flow is used for combustion of the additionally injected fuel. 8. Verfahren zum Betrieb der Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (6) elektrisch beheizt wird. 8. A method for operating the internal combustion engine according to one of claims 1 to 7, characterized in that the catalyst ( 6 ) is electrically heated.
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