EP1523615A1 - Vorrichtung zur verbesserung der abgasemission - Google Patents

Vorrichtung zur verbesserung der abgasemission

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EP1523615A1
EP1523615A1 EP03765003A EP03765003A EP1523615A1 EP 1523615 A1 EP1523615 A1 EP 1523615A1 EP 03765003 A EP03765003 A EP 03765003A EP 03765003 A EP03765003 A EP 03765003A EP 1523615 A1 EP1523615 A1 EP 1523615A1
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EP
European Patent Office
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compressor
internal combustion
combustion engine
air
supply line
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03765003A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thorsten HERGEMÖLLER
Armin HÜRLAND
Andreas Juretzka
Hans-Georg Lehmann
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F01N3/24—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust characterised by constructional aspects of converting apparatus
    • F01N3/30—Arrangements for supply of additional air
    • F01N3/32—Arrangements for supply of additional air using air pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D9/00—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits
    • F02D9/02—Controlling engines by throttling air or fuel-and-air induction conduits or exhaust conduits concerning induction conduits
    • F02D2009/0201—Arrangements; Control features; Details thereof
    • F02D2009/0283—Throttle in the form of an expander
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a device for using the throttle energy of an internal combustion engine with a generator which is connected to a compressor in drive connection and a turbine which is connected to the compressor in drive connection and which supplies fresh air to a suction pipe of the internal combustion engine via a first supply line, exhaust gas also being produced via the compressor can be supplied to the intake manifold of the internal combustion engine or fresh air is led from the air filter into the exhaust gas of the line during the starting process.
  • a drive unit for a vehicle with an internal combustion engine for delivering drive energy with an exhaust gas turbocharger is already known (DE 198 40 629 AI), which has a turbine with a compressor.
  • the turbine is driven by exhaust gases from the internal combustion engine and the compressor by the turbine.
  • the unit has an air duct system which supplies the compressor with fresh air, in which it is compressed into the charge air, the charge air being conducted from the compressor to the internal combustion engine.
  • an additional compressor is provided which generates compressed fresh air which, depending on requirements, can be supplied to the air line system upstream of the internal combustion engine, a compressor which is already used for other purposes in the vehicle being used as the additional compressor.
  • BESTATIGUNGSKOPIE It is also known that during the cold process and the idling, starting or overrun phases of an internal combustion engine in the intake tract, the air for engine combustion is throttled as required.
  • a throttle valve is used in a known manner. The energy dissipated by the throttle valve is converted into heat and thus converted into a pure power loss (negative charge exchange loop).
  • the object of the invention is to use the choke energy for further processes and to convert it into other forms of energy.
  • the object is achieved in that the first supply line is connected to the turbine in such a way that during the starting process or before the first injection cycle of the internal combustion engine, at least the quantity control of the intake air takes place via the turbine, which is connected to the compressor and a generator in a drive connection via a shaft stands, from which energy can be taken as braking energy in the starting phase.
  • the throttle energy can be used in a sensible manner, the generator acting as a brake due to the drive position between the turbine and generator. Energy is thus obtained by coupling the turbine to the generator. This means that it can also be used for other units, e.g. B. the electric servo pump, or other electrical consumers for charging the battery possible. Due to the corresponding load position of the generator, the air mass can be limited like a throttle valve. The throttle valve control signal is then used to control the generator control. This does not result in any major effort for the motor control. Furthermore, through this Arrangement created the possibility of generating secondary air through an additional compressor. The compressor is driven by the turbine and thus advantageously conveys secondary air to the outlet duct through appropriate valve control.
  • the compressor is driven by the air mass flow from the supply line and thus by the turbine.
  • a directional control valve is provided in front of an opening of a supply line to the compressor, via which fresh air from the air filter or residual exhaust gas is fed to the compressor.
  • fresh air from the air filter is fed directly to the compressor via a supply line and then to the exhaust pipe of the internal combustion engine via a further supply line and a second directional valve, or afterwards exhaust gas or residual gas is fed to the intake manifold via the second directional valve becomes.
  • the further directional control valve is provided, via which the secondary air is directed to the exhaust pipe of the internal combustion engine and released to the ambient air, and that the generator is equipped with a control unit and / or a power control unit Internal combustion engine is operatively connected.
  • the compressor and the generator are driven by the turbine and the drive is regulated by the power control unit.
  • the suction pressure required to operate the charger and thus the required intake air mass flow during the starting, idling and overrun phases are ensured by the internal combustion engine.
  • the throttle energy is used to drive a turbine in the intake tract by coupling the compressor to the generator.
  • the generation of electrical energy is possible by driving the generator.
  • the required air mass flow is generated by the compressor.
  • a secondary air pump is therefore not required for the secondary air injection.
  • the advantageous valve control and thus the air flow from the air filter via the charger and the bypass line result in a lower suction resistance.
  • the air mass flow can also be used for exhaust manifold cooling with a corresponding valve switching position.
  • a corresponding valve switching position By guiding the air mass flow over the compressor with a corresponding valve position, it is advantageously possible to use a corresponding catalyst and thus to increase the exhaust gas after-reaction.
  • this arrangement and corresponding valve position it is possible to use the compressor accordingly in order to suck in the exhaust gas and to convey it into the intake manifold.
  • the drive unit 22 denotes a drive unit for an internal combustion engine, not shown in the drawing, for example a gasoline engine.
  • the drive unit 22 includes a generator 3, which is connected to a compressor 1 via a drive shaft 2.
  • the compressor 1 is in drive connection with a supercharger or a turbine 5 via the drive shaft 2.
  • exhaust gas 25 is supplied via a directional valve 13, a supply line 12, the compressor 1 and via a second line 9 when a position is appropriate
  • Directional control valve 23 fed to a suction pipe 11.
  • One directional valve is provided between the inlet opening to the compressor 1 and the air filter.
  • the second directional valve 23 is arranged between the compressor 1 and the suction pipe 11.
  • air 26 can flow out of the air filter (not shown in the drawing) via line 12, the compressor 1, via the second line 9 and the directional control valve 23 via a line 24 to the exhaust manifold.
  • air 26 also reaches a supercharger air mass meter 8 (HFM) via a further supply line 7 directly to the charger or the turbine 5 and via a line 6 to the intake manifold 11 of the internal combustion engine.
  • HFM supercharger air mass meter 8
  • the throttle valve previously used is omitted, the internal combustion engine or the gasoline engine being quantity-controlled or regulated, ie a sufficient amount of air is made available via the supply line 6 so that the engine can maintain its operating state.
  • the previously common throttle valve, which controls the air volume, is no longer required. This function is replaced by the turbine or the charger 5, which can then be braked by the generator.
  • the turbine 5 delivers the throttle energy to the generator 3.
  • This method can be used to start the internal combustion engine, the turbine 5 being used as a secondary air charger.
  • the output of the hydrocarbons (HO) is not increased in this process.
  • This method also improves the air consumption and exhaust gas temperature cooling and thus the overall efficiency. With this method, no additional drive energy is required, the weight of the entire device can be reduced and the air mass control can be optimized.
  • the previously used throttle valve can, as already mentioned, between the hot film air mass meter 8 and the suction pipe 11 are saved and the energy thus released can be used in an optimal manner or made available to the generator 3.
  • the generator 3 is connected to a control unit or a power control unit 4 of the internal combustion engine.
  • Turbocharger compressor drive shaft of the generator generator power control turbine, turbocharger line to the compressor, fresh air first supply line HFM hot film air mass meter second supply line exhaust pipe intake pipe supply line directional control valve drive unit control valve, directional control valve line to the exhaust gas line exhaust gas air

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Nutzung der Drosselenergie einer Brennkraftmaschine mit einem mit einem Verdichter (1) in Antriebsverbindung stehenden Generator (3) und einer mit dem Verdichter (1) in Antriebsverbindung stehenden Turbine (5), die in der Startphase über eine erste Versorgungsleitung (7) Frischluft einem Saugrohr (11) der Brennkraftmaschine direkt zuführt, wobei die Turbine die bisher übliche Drossel ersetzt.

Description

Vorrichtung zur Verbesserung der Abgasemission
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Nutzung der Drosselenergie einer Brennkraftmaschine mit einem mit einem Verdichter in Antriebsverbindung stehenden Generator und einer mit dem Verdichter in Antriebsverbindung stehenden Turbine, die über eine erste Versorgungsleitung Frischluft einem Saugrohr der Brennkraftmaschine zuführt, wobei über den Verdichter Abgas ebenfalls dem Saugrohr der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann oder während des Startvorgangs Frischluft aus dem Luftfilter in das Abgas der Leitung geleitet wird.
Es ist bereits ein Antriebsaggregat für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zur Abgabe von Antriebsenergie, mit einem Abgasturbolader bekannt (DE 198 40 629 AI) , der eine Turbine mit einem Verdichter aufweist. Hier wird die Turbine durch Abgase des Verbrennungsmotors und der Verdichter durch die Turbine angetrieben. Ferner weist das Aggregat ein Luftleitungssystem auf, das dem Verdichter Frischluft zuführt, in welchem sie zur Ladeluft verdichtet wird, wobei die Ladeluft vom Verdichter zum Verbrennungsmotor geführt wird. Ferner ist ein Zusatzverdichter vorgesehen, der verdichtete Frischluft erzeugt, die bedarfsabhängig dem Luftleitungssystem stromauf des Verbrennungsmotors zuführbar ist, wobei als Zusatzverdichter ein bereits für andere Zwecke im Fahrzeug vorhandener Verdichter verwendet wird.
BESTATIGUNGSKOPIE Ferner weiß man, dass während des Kaltvorgangs und der Leerlauf-, Start- oder Schubphasen eines Verbrennungsmotors im Ansaugtrakt die Luft für die motorische Verbrennung bedarfsgerecht gedrosselt wird. Hierzu setzt man in bekannter Weise eine Drosselklappe ein. Die durch die Drosselklappe dissipierte Energie wird in Wärme umgesetzt und damit in eine reine Verlustleistung (negative Ladungswechselschleife) umgewandelt .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Drosselenergie für weitere Prozesse zu nutzen und in andere Energieformen umzuwandeln.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die erste Versorgungsleitung an die Turbine derart angeschlossen ist, dass beim Startvorgang oder vor dem ersten Einspritzzyklus der Brennkraftmaschine zumindest die Quantitätsregelung der angesaugten Luft über die Turbine erfolgt, die über eine Welle mit dem Verdichter und einem Generator in Antriebsverbindung steht, von dem in der Startphase Energie als Bremsenergie abgenommen werden kann.
Da die erste Versorgungsleitung für die Ansaugluft direkt über die Turbine geleitet wird, kann in sinnvoller Weise die Drosselenergie genutzt werden, wobei durch den Antriebsstand zwischen Turbine und Generator der Generator als Bremse fungiert. Es wird also durch die Kopplung der Turbine mit dem Generator Energie gewonnen. Damit ist eine Nutzung auch für andere Aggregate, z. B. die elektrische Servopumpe, oder andere elektrische Verbraucher zum Laden der Batterie möglich. Durch die entsprechende Laststellung des Generators lässt sich die Luftmasse wie durch eine Drosselklappe begrenzen. Das Signal der Drosselklappensteuerung wird dann für die Ansteuerung der Generatorsteuerung eingesetzt. Daraus ergibt sich für die Motorsteuerung kein größerer Aufwand. Ferner wird durch diese Anordnung die Möglichkeit der Erzeugung von Sekundärluft durch einen zusätzlichen Verdichter geschaffen. Der Verdichter wird über die Turbine angetrieben und fördert somit auf vorteilhafte Weise Sekundärluft zum Auslasskanal durch entsprechende Ventilsteuerung .
Hier ist es vorteilhaft, dass der Verdichter über den Luftmassenstrom aus der Versorgungsleitung und damit über die Turbine angetrieben wird.
Ferner ist es vorteilhaft, dass vor einer Öffnung einer Versorgungsleitung zum Verdichter ein Wegeventil vorgesehen ist, über das Frischluft aus dem Luftfilter oder Restabgas dem Verdichter zugeführt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft, dass während der Startphase Frischluft aus dem Luftfilter über eine Versorgungsleitung direkt dem Verdichter und dann über eine weitere Versorgungsleitung und ein zweites Wegeventil der Abgasleitung der Brennkraftmaschine oder danach Abgas bzw. Restgas über das zweite Wegeventil dem Saugrohr zugeführt wird.
Ferner ist es vorteilhaft, dass nach einer Auslassöffnung des Verdichters zu der weiteren Versorgungsleitung das weitere Wegeventil vorgesehen ist, über das die Sekundärluft zur Abgasleitung der Brennkraftmaschine geleitet und an die Umgebungsluft abgegeben wird, und dass der Generator mit einem Steuergerät und/oder einem Leistungssteuergerät der Brennkraftmaschine wirkungsmäßig verbunden ist.
Außerdem ist es vorteilhaft, dass der Verdichter und der Generator über die Turbine angetrieben werden und der Antrieb über das Leistungssteuergerät geregelt wird. Mit der vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also der zum Betreiben des Laders notwendige Saugdruck und somit der erforderliche Ansaugluftmassenstrom während der Start-, Leerlauf- und Schubphase durch den Verbrennungsmotor gewährleistet. Die Nutzung der Drosselenergie zum Antrieb einer Turbine im Ansaugtrakt erfolgt also über die Kopplung des Verdichters mit dem Generator. Mit dieser Anordnung ist die Erzeugung von elektrischer Energie durch den Antrieb des Generators möglich. Ferner wird durch den Verdichter der erforderliche Luftmassenstrom erzeugt. Für die Sekundärlufteinblasung ist also eine Sekundärluftpumpe nicht erforderlich. Durch die vorteilhafte Ventilsteuerung und damit die Luftführung aus dem Luftfilter über den Lader und über die Bypassleitung ergibt sich ein geringerer Saugwiderstand. Der Luftmassenstrom kann ferner zur Abgaskrümmerkühlung bei entsprechender Ventilschaltstellung eingesetzt werden. Durch die Führung des Luftmassenstroms über den Verdichter bei entsprechender Ventilstellung ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen entsprechenden Katalysator einzusetzen und damit die Abgasnachreaktion zu erhöhen. Ferner besteht bei dieser Anordnung und entsprechender Ventilstellung die Möglichkeit, den Verdichter entsprechend einzusetzen, um das Abgas anzusaugen und in das Saugrohr zu fördern.
In der Zeichnung ist mit 22 ein Antriebsaggregat für eine in der Zeichnung nicht dargestellte Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Ottomotor, bezeichnet. Zu dem Antriebsaggregat 22 gehört ein Generator 3, der über eine Antriebswelle 2 mit einem Verdichter 1 verbunden ist. Der Verdichter 1 steht über die Antriebswelle 2 mit einem Lader bzw. einer Turbine 5 in Antriebsverbindung.
Über eine Abgasleitung 10 wird Abgas 25 über ein Wegeventil 13, eine Versorgungsleitung 12, den Verdichter 1 und über eine zweite Leitung 9 bei entsprechender Stellung eines Wegeventils 23 einem Saugrohr 11 zugeführt. Das eine Wegeventil ist zwischen der Einlassöffnung zum Verdichter 1 und dem Luftfilter vorgesehen. Das zweite Wegeventil 23 ist zwischen dem Verdichter 1 und dem Saugrohr 11 angeordnet. Bei einer anderen Durchflussstellung des Wegeventils 13 kann Luft 26 aus dem in der Zeichnung nicht dargestellten Luftfilter über die Leitung 12, den Verdichter 1, über die zweite Leitung 9 sowie das Wegeventil 23 über eine Leitung 24 zum Abgaskrümmer abfließen.
Wie aus der Zeichnung ferner hervorgeht, gelangt Luft 26 auch über einen Heißfilrαluftmassenmesser 8 (HFM) über eine weitere Versorgungsleitung 7 direkt zum Lader bzw. der Turbine 5 und über eine Leitung 6 zum Saugrohr 11 der Brennkraftmaschine. Durch die vorteilhafte Anordnung der beschriebenen Vorrichtung wird die bisher verwendete Drosselklappe weggelassen, wobei der Verbrennungsmotor bzw. der Ottomotor quantitätsgesteuert bzw. geregelt ist, d. h. über die Versorgungsleitung 6 wird eine ausreichende Luftmenge zur Verfügung gestellt, damit der Motor seinen Betriebszustand halten kann. Die bisher übliche Drosselklappe, durch die die Luftmenge gesteuert wird, entfällt. Diese Funktion wird durch die Turbine bzw. den Lader 5 ersetzt, die dann über den Generator gebremst werden kann. Die Turbine 5 gibt die Drosselenergie an den Generator 3 ab. Dieses Verfahren kann zum Starten der Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wobei die Turbine 5 als Sekundärluftlader verwendet wird. Hierzu ist es vorteilhaft, dass bei diesem Verfahren der Ausstoß der Kohlenwasserstoffe (HO) nicht erhöht wird. Ferner werden durch dieses Verfahren Luftaufwand und Abgastemperaturkühlung und somit der Gesamtwirkungsgrad verbessert. Mit diesem Verfahren ist ferner keine zusätzliche Antriebsenergie erforderlich, das Gewicht der gesamten Vorrichtung kann verringert und die Luftmassenregelung optimiert werden. Die bisher eingesetzte Drosselklappe kann, wie bereits erwähnt, zwischen dem Heißfilmluftmassenmesser 8 und dem Saugrohr 11 eingespart und die dadurch freigesetzte Energie in optimaler Weise genutzt werden bzw. dem Generator 3 zur Verfügung gestellt werden. Zur Optimierung des Verfahrens ist der Generator 3 mit einem Steuergerät bzw. einem Leistungssteuergerät 4 der Brennkraftmaschine verbunden.
Bezugszeichenliste
Turbolader, Verdichter Antriebswelle des Generators Generator Leistungssteuerung Turbine, Turbolader Leitung zum Verdichter, Frischluft erste Versorgungsleitung HFM Heißfilmluftmassenmesser zweite Versorgungsleitung Abgasleitung Saugrohr Versorgungsleitung Wegeventil Antriebsaggregat Stellventil, Wegeventil Leitung zur Abgasleitung Abgas Luft

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Nutzung der Drosselenergie einer Brennkraftmaschine mit einer mit einem Verdichter (1) in Antriebsverbindung stehenden Turbine (5), die über eine erste Versorgungsleitung (7) Frischluft (26) einem Saugrohr (11) der Brennkraftmaschine zuführt, wobei während des Startvorgangs Frischluft aus dem Luftfilter in eine Abgasleitung (24) geleitet und anschließend über den Verdichter (1) Abgas (25) dem Saugrohr (11) der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die erste Versorgungsleitung (7) an die Turbine (5) derart angeschlossen ist, dass beim Startvorgang oder vor dem ersten Einspritzzyklus der Brennkraftmaschine zumindest die Quantitätsregelung der angesaugten Luft über die Turbine (5) erfolgt, die über eine Welle (2) mit dem Verdichter (1) und einem Generator (3) in Antriebsverbindung steht, von dem in der Startphase Energie als Bremsenergie abgenommen werden kann.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verdichter (1) über den Luftmassenstrom aus der Versorgungsleitung (7) und damit über die Turbine (5) angetrieben wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einer Versorgungsleitung (12) zum Verdichter (1) ein Wegeventil (13) vorgesehen ist, über das Frischluft (26) aus dem Luftfilter oder Restabgas (25) dem Verdichter (1) zugeführt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass während der Startphase Frischluft (26) aus dem Luftfilter über eine Versorgungsleitung (12) direkt dem Verdichter (1) und dann über eine weitere Versorgungsleitung (9) und ein zweites Wegeventil (23) der Abgasleitung (24) der Brennkraftmaschine oder danach Abgas (25) bzw. Restgas über das zweite Wegeventil (23) dem Saugrohr (11) zugeführt wird.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass nach dem Verdichter (1) zu der weiteren Versorgungsleitung (9) das weitere Wegeventil (23) vorgesehen ist, über das die Sekundärluft (26) zur Abgasleitung (24) der Brennkraftmaschine geleitet und an die ümgebungsluft abgegeben wird.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Generator (3) mit einem Steuergerät und/oder einem Leistungssteuergerät (4) der Brennkraftmaschine wirkungsmäßig verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verdichter (1) und der Generator (3) über die Turbine (5) angetrieben werden und der Antrieb über das Leistungssteuergerät (4) geregelt wird.
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