WO2023016792A1 - Verbrennungskraftmaschine für einen kraftwagen - Google Patents

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WO2023016792A1
WO2023016792A1 PCT/EP2022/070835 EP2022070835W WO2023016792A1 WO 2023016792 A1 WO2023016792 A1 WO 2023016792A1 EP 2022070835 W EP2022070835 W EP 2022070835W WO 2023016792 A1 WO2023016792 A1 WO 2023016792A1
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internal combustion
combustion engine
exhaust
turbine
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PCT/EP2022/070835
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Michael Stiller
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Mercedes-Benz Group AG
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    • F02M26/04—EGR systems specially adapted for supercharged engines with a single turbocharger
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
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    • F02M26/65—Constructional details of EGR valves
    • F02M26/71—Multi-way valves

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine for a motor vehicle according to the preamble of patent claim 1.
  • Such an internal combustion engine for a motor vehicle is already known, for example, from DE 10 2018 006 413 A1.
  • the internal combustion engine has an exhaust gas tract through which exhaust gas from the internal combustion engine can flow, and a turbine wheel which is arranged in the exhaust gas tract and is arranged by the exhaust gas and which can be part of an exhaust gas turbocharger, for example.
  • an exhaust gas recirculation device which has an exhaust gas recirculation line, by means of which at least part of the exhaust gas flowing through the exhaust gas tract can be branched off from the exhaust gas tract at a branching point arranged upstream of the turbine wheel and returned to an intake tract of the internal combustion engine through which air can flow and at a point of introduction into the intake tract and thus into which the air flowing through the intake tract can be introduced.
  • the object of the present invention is to further develop an internal combustion engine of the type mentioned at the outset in such a way that particularly low-emission operation can be implemented.
  • an electrically drivable compressor wheel for compressing the air flowing through the intake tract is arranged.
  • the compressor wheel is part of an electric compressor, ie an electrically operable compressor, the compressor having the compressor wheel and an electric machine, by means of which the compressor wheel can be driven electrically to compress the air.
  • the compression of the air is also referred to as charging or supercharging. Because the compressor wheel can be driven electrically, electrically assisted charging is implemented.
  • electrically assisted charging can reduce a driving scavenging gradient, in particular between the branching point and the inlet point, with the scavenging gradient being used to recirculate the exhaust gas.
  • the recirculation of the exhaust gas is also referred to as exhaust gas recirculation, which can be carried out particularly advantageously in the invention.
  • the invention is based in particular on the following findings and considerations: Turbocharging has become established to increase the specific power and to reduce emissions and consumption of internal combustion engines.
  • a flow machine which is designed in particular as an exhaust gas turbocharger or functions or can be operated as an exhaust gas turbocharger is provided, the inertia of which in dynamic operation leads to a delayed boost pressure build-up.
  • the exhaust gas turbocharger has a low speed or boost pressure.
  • boost pressure which in turn depends on the turbine size, efficiency, inertia, enthalpy supply and exhaust gas recirculation rate.
  • the smoke mode or air shortage mode is also ended.
  • a compromise must be found in the dynamic torque build-up and the exhaust gas recirculation rate, i.e.
  • the EGR rate can be reduced or the nitrogen oxide raw emissions increased in order to produce less soot with regard to a conflict of objectives between nitrogen oxide/soot emissions and thus a regeneration interval for regenerating, for example as a diesel particulate filter (DPF) designed particulate filter to extend, as well as to improve the aging of the exhaust gas cleaning and the dynamic performance development.
  • a regeneration interval for regenerating for example as a diesel particulate filter (DPF) designed particulate filter to extend, as well as to improve the aging of the exhaust gas cleaning and the dynamic performance development.
  • DPF diesel particulate filter
  • technologies with faster boost pressure build-up are expedient.
  • the technologies can differ from each other depending on the type of energy source: smaller VTG turbine with higher efficiency in the low flow range
  • Turbine with lower mass inertia for example ceramic or TiAl mechanical additional compressor
  • the type of electrical support has an effect on the driving scavenging gradient from the branching point to the point of introduction, for example, designed as a high-pressure exhaust gas recirculation device or designed to carry out high-pressure exhaust gas recirculation exhaust gas recirculation device.
  • the use of an electrically drivable compressor wheel for example in an electric turbocharger or in an electric auxiliary compressor, makes it possible to increase a pressure prevailing in the intake tract, also referred to as intake manifold pressure, without a pressure prevailing in the exhaust tract upstream of the turbine wheel likewise increasing. This reduces the driving scavenging gradient from the branching point to the inlet point, regardless of the initial level, which means that no exhaust gas can be recirculated. This results in no further improvement in nitrogen oxide emissions, despite the possibility of building up the boost pressure more quickly
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of an internal combustion engine for a motor vehicle
  • FIG. 3 shows a detail of a schematic sectional view of a second embodiment of the internal combustion engine
  • FIG. 4 shows a detail of a schematic front view of a turbine for the internal combustion engine
  • FIG. 5 shows a detail of a schematic sectional view of a third embodiment of the internal combustion engine; and 6 shows a schematic sectional view of a fourth embodiment of the internal combustion engine.
  • the internal combustion engine 10 is preferably designed as a diesel engine.
  • Internal combustion engine 10 has an engine block 12 with a plurality of cylinders 14 , with each cylinder 14 forming or delimiting a respective combustion chamber 16 of internal combustion engine 10 .
  • the internal combustion engine 10 has an intake tract 18 through which air can flow and is also referred to as the intake tract, by means of which the air flowing through the intake tract 18 is guided to and into the combustion chambers 16 .
  • the internal combustion engine 10 has an exhaust gas tract 20 through which exhaust gas from the combustion chambers 16 can flow, in which an exhaust gas manifold 22, also referred to simply as a manifold, is arranged.
  • the exhaust gas from the plurality of combustion chambers 16, in particular from all combustion chambers of the internal combustion engine 10, is collected by means of the exhaust manifold 22.
  • the internal combustion engine 10 has an exhaust gas turbocharger 24 which has a turbine 26 with a turbine wheel 28 arranged in the exhaust gas tract 20 .
  • the turbine wheel 28 can be driven by the exhaust gas flowing through the exhaust tract 20 .
  • the exhaust gas turbocharger 24 also includes a compressor 30 arranged in the intake tract 18, with a compressor wheel 32, by means of which the air flowing through the intake tract 18 can be compressed by driving the compressor wheel 32.
  • the compressor wheel 32 can be driven by the turbine wheel 28 via a shaft 34 of the exhaust gas turbocharger 24 .
  • the exhaust gas turbocharger 24 has an electric machine 36, by means of which at least the compressor wheel 32 can be driven electrically.
  • the exhaust gas turbocharger 24 is designed as an electric exhaust gas turbocharger, ie as an electrically operable exhaust gas turbocharger.
  • a pressure prevailing in the intake tract 18 upstream of the compressor wheel 32 is denoted by p1.
  • a charge air cooler 39 is arranged in the intake tract 18 downstream of the compressor wheel 32 and upstream of the combustion chambers 16, by means of which the compressed air is cooled.
  • a pressure of the air prevailing in the intake tract 18 downstream of the intercooler 39 and upstream of the combustion chambers 16 is denoted by p2s, the air p2s also being denoted as charge pressure, to which the air can be compressed by means of the compressor wheel 32, for example.
  • a pressure prevailing in the exhaust tract 20 downstream of the combustion chambers 16 and upstream of the turbine wheel 28 is denoted by p3.
  • An exhaust gas aftertreatment device 38 through which the exhaust gas can flow is arranged in the exhaust tract 20 .
  • the exhaust gas is after-treated by means of the exhaust-gas after-treatment device 38 .
  • a pressure prevailing in the exhaust gas tract 20 downstream of the turbine wheel 28 and upstream of the exhaust gas aftertreatment device 38 is denoted by p4.
  • T4 denotes a temperature of the exhaust gas in the exhaust tract 20 , also referred to as the exhaust gas temperature, the exhaust gas having the temperature T4 downstream of the turbine wheel 28 and upstream of the exhaust gas aftertreatment device 38 .
  • Exhaust gas aftertreatment device 38 has exhaust gas aftertreatment elements 40a-d, exhaust gas aftertreatment element 40d being arranged downstream of turbine wheel 28 and upstream of exhaust gas aftertreatment element 40c.
  • Exhaust after-treatment element 40c is disposed downstream of exhaust after-treatment element 40d and upstream of exhaust after-treatment element 40b, and exhaust after-treatment element 40b is disposed upstream of exhaust after-treatment element 40c and upstream of exhaust after-treatment element 40a.
  • Exhaust gas aftertreatment element 40d is, for example, an oxidation catalytic converter, in particular a diesel oxidation catalytic converter (DOC).
  • DOC diesel oxidation catalytic converter
  • the exhaust gas aftertreatment element 40c includes, for example, a particle filter, in particular a diesel particle filter (DPF).
  • the exhaust gas aftertreatment element 40c can have an SCR catalytic converter.
  • exhaust gas aftertreatment element 40c can have a coating that is catalytically effective for selective catalytic reduction (SCR) for denitrating the exhaust gas, with which, for example, the particle filter, in particular diesel particle filter, can be provided.
  • Exhaust gas aftertreatment element 40b is, for example, a, in particular second, SCR catalytic converter.
  • the exhaust gas aftertreatment element 40a is, for example, an ammonia slip catalyst (ASC).
  • an exhaust gas valve 42 is arranged in the exhaust gas tract 20 downstream of the exhaust gas aftertreatment device 38 and thus downstream of the turbine wheel 28 , by means of which the exhaust gas can be backed up in the exhaust gas tract 18 .
  • the exhaust flap 42 is arranged in a line element of the exhaust tract 20 and can be moved, in particular pivoted, relative to the line element between at least two different positions. In a first of the positions, at least a partial region of a flow cross section of the exhaust gas tract 20 through which the exhaust gas can flow is blocked by the exhaust gas flap 42 by means of the Exhaust valve 42 blocked, so that no exhaust gas can flow through the sub-area. In the second position, the exhaust flap 42 releases the partial area, for example.
  • the turbine 26, in particular the turbine wheel 28, is assigned a bypass device 44.
  • the bypass device 44 includes a bypass line 46, which is also referred to as a bypass line or wastegate line.
  • the bypass line 46 is fluidly connected to the exhaust tract 20 at connection points V1 and V2, the connection point V1 is arranged upstream of the turbine wheel 28, and the connection point V2 is arranged downstream of the turbine wheel 28 and in particular upstream of the exhaust gas aftertreatment device 38. At least part of the exhaust gas flowing through the exhaust gas tract 20 can be branched off from the exhaust gas tract 20 at the connection point V1 by means of the bypass line 46 and introduced into the bypass line 46 .
  • the exhaust gas that has been branched off can flow through the bypass line 46 and is guided by the bypass line 46 to the connection point V2, at which the exhaust gas flowing through the bypass line 46 can flow out of the bypass line 46 and flow back into the exhaust tract 20 .
  • the exhaust gas flowing through the bypass line 46 bypasses the turbine wheel 28 so that the turbine wheel 28 is not driven by the exhaust gas flowing through the bypass line 46 .
  • the bypass device 44 also includes a valve element 48, also referred to as a wastegate or wastegate valve or bypass valve, by means of which a quantity of the exhaust gas flowing through the bypass line 46 can be adjusted.
  • Internal combustion engine 10 has a first exhaust gas recirculation device 50, by means of which exhaust gas recirculation designed as high-pressure exhaust gas recirculation can be carried out.
  • the exhaust gas recirculation device 50 is designed as a high-pressure exhaust gas recirculation device.
  • the exhaust gas recirculation device 50 includes a recirculation line 52, which is also referred to as an exhaust gas recirculation line.
  • the recirculation line 52 is fluidically connected to the exhaust tract 20 at a branch point A1 and to the intake tract 18 at an inlet point E1, so that by means of the recirculation line 52 at the branch point A1 at least part of the exhaust gas flowing through the exhaust gas recirculation device 50 is branched off from the exhaust tract 20 and fed into the return line 52 can be initiated.
  • the branched and Exhaust gas introduced into the return line 52 can flow through the return line 52 and is routed to the introduction point E1 by means of the return line 52 .
  • the exhaust gas flowing through the recirculation line 52 can flow out of the recirculation line 52 and subsequently flow into the intake tract 18, whereby the exhaust gas flowing through the recirculation line 52 at the introduction point E1 into the intake tract 18 and thus into the air flowing through the intake tract 18 is initiated.
  • the exhaust gas recirculation device 50 is designed as a cooled and uncooled exhaust gas recirculation device. This is to be understood in particular as follows: An exhaust gas recirculation cooler 54 is arranged in the recirculation line 52, by means of which at least part of the exhaust gas flowing through the recirculation line 52 can be cooled.
  • the exhaust gas recirculation device 50 has a further bypass line 56 which is fluidically connected to the recirculation line 52 at points S1 and S2.
  • the point S1 is arranged in the recirculation line 52 upstream of the exhaust gas recirculation cooler 54, and the point S2 is arranged in the recirculation line 52 downstream of the exhaust gas recirculation cooler 54 and upstream of the introduction point E1.
  • the additional bypass line 56 at least part of the exhaust gas flowing through the return line 52 can be branched off from the return line 52 at point S1 and introduced into the additional bypass line 56.
  • the exhaust gas introduced into the further bypass line 56 flows through the further bypass line 56 and is guided to the point S2 by means of the further bypass line 56 .
  • the exhaust gas flowing through the further bypass line 56 can flow out of the further bypass line 56 and flow into the recirculation line 52. That the further
  • Exhaust gas flowing through the bypass line 56 bypasses the exhaust gas recirculation cooler 54. This means that the exhaust gas flowing through the further bypass line 56 does not flow through the exhaust gas recirculation cooler 54 and is therefore not cooled by the exhaust gas recirculation cooler 54, but remains uncooled.
  • a valve element 58 is arranged in the further bypass line 56, by means of which a quantity of the exhaust gas flowing through the further bypass line 56 can be adjusted.
  • Exhaust gas recirculation device 50 also includes an exhaust gas recirculation valve 60, by means of which a quantity of the exhaust gas flowing through recirculation line 52, i.e. a quantity of the exhaust gas which is branched off from exhaust tract 20 at branch point A1 by means of recirculation line 52, can be adjusted.
  • a throttle valve 62 is arranged in the intake tract 18, in particular downstream of the intercooler 39 and upstream of the combustion chambers 16, in particular upstream of the inlet point E1 which a quantity of the air flowing through the intake tract 18 to be supplied to the combustion chambers 16 can be adjusted.
  • the internal combustion engine 10 has a second exhaust gas recirculation device 64, which is designed as a low-pressure exhaust gas recirculation device.
  • the exhaust gas recirculation device 64 includes a second recirculation line 66, which is also referred to as the second exhaust gas recirculation line.
  • the second recirculation line 66 is fluidically connected to the exhaust tract 20 at a second branch point A2 and fluidically connected to the intake tract 18 at a second inlet point E2.
  • At least part of the exhaust gas flowing through the exhaust gas tract 20 can be branched off from the exhaust gas tract at the second branch point A2 by means of the second recirculation line 66 and introduced into the second recirculation line 66 .
  • the exhaust gas branched off at the branching point A2 and introduced into the second recirculation line 66 can flow through the second recirculation line 66 and is conducted by means of the second recirculation line 66 to the introduction point E2.
  • the exhaust gas flowing through the recirculation line 66 can flow out of the recirculation line 66 and into the intake tract 18, so that the exhaust gas flowing through the recirculation line 66 can be introduced at the introduction point E2 into the intake tract 18 and thus into the air flowing through the intake tract 18 or is initiated.
  • the introduction point E2 is arranged in the intake tract 18 upstream of the compressor wheel 32 .
  • the branching point A2 is arranged in the exhaust tract 20 downstream of the turbine wheel 28, in particular downstream of the exhaust gas aftertreatment device 38, and thereby upstream of the exhaust cap 42. It can also be seen that the branching point A1 is arranged upstream of the turbine wheel 28 in the exhaust tract 20 .
  • the second exhaust gas recirculation device 64 can have, in particular, a second exhaust gas recirculation cooler 68 which is arranged in the second recirculation line 66 .
  • the exhaust gas flowing through to the recirculation line 66 can be cooled by means of the exhaust gas recirculation cooler 68 .
  • the second exhaust gas recirculation device 64 has a second exhaust gas recirculation valve 70 which is arranged in the second recirculation line 66 .
  • the exhaust gas recirculation valve 70 can be used to set a quantity of the exhaust gas flowing through the recirculation line 66, i.e.
  • a pressure also referred to as the intake manifold pressure and prevailing in the intake tract 18, in particular downstream of the charge air cooler 39, 38, such as the pressure p2s, for example, can be reduced.
  • the additional boost pressure generated electrically has to be artificially throttled away.
  • the swallowing line in the compressor 30 moves closer to the surge limit.
  • Another way of increasing the driving EGR scavenging gradient is the exhaust gas valve 42. This allows an increased scavenging gradient without feedback to the compressor 30. Due to the increased pressure p4, the turbine power is reduced, at least essentially in proportion to p3/p4. This is compensated for by the electric turbocharger.
  • the internal combustion engine 10 shown in Fig. 1 which is also referred to simply as a motor or internal combustion engine, has a high-pressure EGR path from p3 to p2s in the form of the exhaust gas recirculation device 50 and a low-pressure EGR path from the ambient pressure to p1 in the form the exhaust gas recirculation device 64, present with the exhaust gas flap 42, by means of which, for example, the scavenging gradient from the ambient pressure to p1 can be actively influenced, in particular adjusted.
  • the low-pressure EGR route is thus an additional low-pressure EGR route, which enables a faster charge pressure build-up, since the complete EGR mass flow via the turbine 26 is used.
  • the low-pressure EGR path or the low-pressure exhaust gas recirculation is not absolutely necessary as a nitrogen oxide and dynamic measure.
  • the low-pressure exhaust gas recirculation is not necessarily available at very cold temperatures, in particular due to the formation of condensate and ice.
  • the exhaust gas flap 42 can also be made available. For this reason or then, for example, designed in particular as an electric turbocharger Exhaust gas turbocharger 24 with an exhaust gas recirculation valve, such as proposed or equipped in exhaust gas recirculation valve 60, which is shown in FIG. 2, for example.
  • FIG. 2 a detail of an exhaust gas routing element through which the exhaust gas flowing through the exhaust gas tract 20 can flow can be seen and is denoted by 72 .
  • the exhaust gas routing element 72 is, for example, a turbine housing in which the turbine wheel 28 is rotatably arranged.
  • the exhaust gas guiding element 72 can be an exhaust gas guiding element which can be arranged in the exhaust gas tract 20 upstream of the turbine wheel 28 and in particular upstream of the turbine housing and thus outside the turbine housing.
  • a total flow of the exhaust gas is illustrated by an arrow 74 in FIG. 2 .
  • the exhaust gas flowing against and thereby driving the turbine wheel 28 is illustrated in Fig. 2 by a part 76, and an arrow 78 illustrates the exhaust gas which is branched off from the exhaust tract 20 upstream of the turbine wheel 28 by means of the recirculation line 52 at the branching point A1 and thus the Turbine wheel 28 does not drive.
  • the EGR valve 60 is a flapper pivoted into the main flow of exhaust gas to the turbine wheel 28, for example.
  • Fig. 3 shows a section of a second embodiment of internal combustion engine 10.
  • Exhaust gas routing element 72 may be exhaust manifold 22, for example, so that it is conceivable, particularly with regard to Fig. 2, for exhaust gas recirculation valve 60 to be arranged in exhaust manifold 22 and for adjusting the amount of exhaust gas to be recirculated is movable, in particular pivotable, relative to the exhaust manifold 22 .
  • exhaust gas recirculation valve 60 may be exhaust manifold 22, for example, so that it is conceivable, particularly with regard to Fig. 2, for exhaust gas recirculation valve 60 to be arranged in exhaust manifold 22 and for adjusting the amount of exhaust gas to be recirculated is movable, in particular pivotable, relative to the exhaust manifold 22 .
  • FIG. 1 shows the turbine 26 with the turbine wheel in a schematic front view
  • variable turbine geometry (VTG) 82 may have.
  • the variable turbine geometry 82 comprises guide vanes 84 that can be moved, in particular pivoted, relative to the turbine housing and by means of which, for example, a flow cross section through which the exhaust gas flowing onto the turbine wheel 28 can flow can be varied, in particular in the turbine housing.
  • a rotary pole of one of the guide vanes 84 is denoted by 86 in FIG.
  • a minimum gap through which the exhaust gas can flow is denoted by 88 .
  • the variable turbine geometry 82 is, for example, a tightly sealed variable turbine geometry, wherein the radial minimum gap and the axial gap are minimized so that the throughput parameter of the turbine 26 can be further reduced. Any efficiency disadvantage and the resulting lower turbine output are compensated for by the electric turbocharger.
  • an additional compressor 90 is arranged in the intake tract 18 in addition to the exhaust gas turbocharger 24, the additional compressor 90 being an electric additional compressor.
  • the exhaust gas turbocharger 24 is not designed as an electric exhaust gas turbocharger, so that no electric machine is provided for driving the compressor wheel 32 electrically.
  • the pressure p2s prevails downstream of the additional compressor 90, with a pressure prevailing in the intake tract 18 downstream of the intercooler 39 and upstream of the additional compressor 90 being denoted by p2n.
  • the additional compressor 90 has a compressor wheel 92 which is arranged in the intake tract 18 and is provided in addition to the compressor wheel 32 .
  • the compressor wheel 92 is arranged downstream of the compressor wheel 32 and thereby downstream of the intercooler 39 .
  • the additional compressor 90 includes an electrical machine 94, by means of which the compressor wheel 92 can be driven. At least part of the air flowing through the intake tract 18 can be compressed by driving the compressor wheel 92 .
  • a further bypass device 96 which has a further bypass line 98 is assigned to the compressor wheel 92 .
  • the further bypass line 98 is fluidically connected to the intake tract 18 at points S3 and S4.
  • the point S3 is upstream of the compressor wheel 92 and downstream of the compressor wheel 32 , in particular downstream of the charge air cooler 39 .
  • Location S4 is located downstream of compressor wheel 92 and upstream of combustion chambers 16 .
  • the air introduced into the bypass line 98 flows through the bypass line 98 and is guided to the point S4 by means of the bypass line 98 .
  • the air flowing through the bypass line 98 can be routed out of the bypass line 98 and introduced into the intake tract 18.
  • the air flowing through the bypass line 98 bypasses the compressor wheel 92 and is therefore not compressed by means of the compressor wheel 92 .
  • a valve element 100 is formed in the bypass line 98, which according to FIG. 5 can be formed as a check valve that blocks in the direction of point S3 and in the opposite direction and thus in the direction of point S4 opens, so that the valve element 100 allows the air flowing through the bypass line 98 to flow from the point S3 to the point S4, but prevents, i.e. avoids, a flow of air in the bypass line 98 from the point S4 behind the point S3.
  • the compressor wheel 92 and/or the point S3 is arranged downstream of the introduction point E1 and thus downstream of the EGR introduction.
  • the valve element 100 embodied here as a check valve prevents air from flowing back from p2s to p2n.
  • the valve element 100 is normally open, or when a malfunction occurs, and closes only when the pressure p2s is greater than the pressure p2n. If the additional electric compressor 90 is not activated, the valve element 100 (non-return valve) is open.
  • the intake air throttle flap replaces the function of valve element 100, which is designed as a bypass flap, for example.
  • the additional electric compressor 90 also has the advantage that the surge limit is extended by the additional compressor map, which is an advantage in the case of high EGR rates at low speeds.
  • the additional compressor 90 is, for example, operated transiently for a short time during the build-up of torque with EGR and the compressed air is not cooled.
  • the described embodiments make it possible to achieve a significant improvement in the conflicting objectives with regard to nitrogen oxides and dynamics. With a comparable driving performance, a significant reduction in nitrogen oxide emissions can be achieved.
  • a further advantage is provided by the additional compressor 90 in that it acts like a high-pressure stage and does not reduce the volume flow of the compressor 30, as a result of which it is further away from the stability limit (radio limit). Particularly high high-pressure EGR rates can be driven transiently, i.e. dynamically.
  • valve element 100 is designed as an active throttle valve such as the throttle valve 62 .
  • a quantity of the air flowing through the bypass line 98 and thus bypassing the additional compressor 90 can be adjusted, in particular actively.
  • the electric auxiliary compressor 90 should generate sufficient pressure loss for throttled operation. This can be achieved by standing operation or by turning against the direction of flow.
  • FIG. 6 shows the internal combustion engine 10 according to a fourth specific embodiment.
  • the electric additional compressor 90 is arranged in the intake tract 18 and, however, downstream of the compressor wheel 32 of the compressor 30 and upstream of the intercooler 39 .
  • the exhaust gas turbocharger 24 is designed as an electric exhaust gas turbocharger, i.e. as an electrically assisted exhaust gas turbocharger, and consequently includes the electric machine 36.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (20), mit einem im Abgastrakt (20) angeordneten und von dem Abgas antreibbaren Turbinenrad (28), und mit einer Abgasrückführeinrichtung (50), welche eine Abgasrückführleitung (52) aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil des Abgases an einer stromauf des Turbinenrads (28) angeordneten Abzweigstelle (A1) aus dem Abgastrakt (20) abzweigbar und zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (18) der Verbrennungskraftmaschine (10) rückführbar und an einer Einleitstelle (E1) in den Ansaugtrakt (18) einleitbar ist, wobei in dem Ansaugtrakt (18) stromauf oder stromab der Einleitstelle (E1) ein elektrisch antreibbares Verdichterrad (32, 92) zum Verdichten der den Ansaugtrakt (18) durchströmenden Luft angeordnet ist.

Description

Mercedes-Benz Group AG
Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine solche Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen ist beispielsweise bereits der DE 10 2018 006 413 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Verbrennungskraftmaschine weist einen von Abgas der Verbrennungskraftmaschine durchströmbaren Abgastrakt sowie ein in dem Abgastrakt angeordnetes und von dem Abgas angeordnetes Turbinenrad auf, welches beispielsweise Bestandteil eines Abgasturboladers sein kann. Des Weiteren ist eine Abgasrückführeinrichtung vorgesehen, welche eine Abgasrückführleitung aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil des den Abgastrakt durchströmenden Abgases an einer stromauf des Turbinenrads angeordneten Abzweigstelle aus dem Abgastrakt abzweigbar und zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine rückführbar und an einer Einleitstelle in den Ansaugtrakt und somit in die die des Ansaugtrakt durchströmende Luft einleitbar ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb realisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine insbesondere als Dieselmotor ausgebildete Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Ansaugtrakt stromauf oder stromab der Einleitstelle ein elektrisch antreibbares Verdichterrad zum Verdichten von der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft angeordnet ist. Dies bedeutet, dass das Verdichterrad Bestandteil eines elektrischen Verdichters, das heißt eines elektrisch betreibbaren Verdichters ist, wobei der Verdichter das Verdichterrad und eine elektrische Maschine aufweist, mittels welcher das Verdichterrad zum Verdichten der Luft elektrisch angetrieben werden kann. Das Verdichten der Luft wird auch als Aufladen oder Aufladung bezeichnet. Dadurch, dass das Verdichterrad elektrisch antreibbar ist, ist eine elektrisch unterstützte Aufladung realisiert. Durch die elektrisch unterstützte Aufladung kann im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ein treibendes Spülgefälle insbesondere zwischen der Abzweigstelle und der Einleitstelle reduziert werden, wobei das Spülgefälle zum Rückführen des Abgases genutzt wird. Das Rückführen des Abgases wird auch als Abgasrückführung bezeichnet, welche bei der Erfindung besonders vorteilhaft durchgeführt werden kann. Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: Zur Steigerung der spezifischen Leistung und zur Reduzierung von Emissionen und Verbrauch von Verbrennungskraftmaschinen hat sich die Turboaufladung etabliert. Hierbei ist eine insbesondere als Abgasturbolader ausgebildete oder als Abgasturbolader fungierende oder betreibbare Strömungsmaschine vorgesehen, deren Massenträgheit in einem dynamischen Betrieb zu einem verzögerten Ladedruckaufbau führt. Im Laststprung bei geringen Motordrehzahlen, beispielsweise bei konstanter Drehzahl, insbesondere im Anfahrvorgang aus dem Leerlauf, hat der Abgasturbolader eine geringe Drehzahl, respektive Ladedruck. Das heißt von einem Ausgangszustand wird bei maximalem Drehmomentwunsch nicht sofort das maximale Moment freigegeben, sondern nur die Einspritzmenge beziehungsweise das Moment bis zu Minimal-Lambda freigegeben. Der Drehmomentaufbau folgt dem Ladedruck, der wiederum von der Turbinengröße, dem Wirkungsgrad, der Massenträgheit, dem Enthalpie Angebot und der Abgasrückführrate abhängt. Sobald der stationäre Ladedruck erreicht ist, ist auch der Rauchbetrieb beziehungsweise Luftmangelbetrieb beendet. Bei diesen motorischen Anwendungen ist ein Kompromiss im dynamischen Drehmomentaufbau und der Abgasrückführrate, das heißt Stickoxidbildung zu finden, da die Abgasrückführung den Frischluftmassestrom reduziert und somit den Ladedruckbedarf erhöht, sowie das Energieangebot auf die Turbine reduziert. Der höchste Anspannungsgrad erfolgt nach Kaltstart bis die Stickoxidreinigung mittels SCR (selektive katalytische Reduktion) auf Betriebstemperatur ist. Die Stickoxidreinigung wirkt ab circa 160 Grad Celsius bis 180 Grad Celsius mit zunehmendem Wirkungsgrad bis circa 240 bis 270 Grad Celsius. Danach kann die AGR- Rate reduziert beziehungsweise die Stickoxid Rohemissionen erhöht werden, um im Hinblick auf einen Zielkonflikt zwischen Stickoxid/Ruß-Emission weniger Ruß zu erzeugen und damit ein Regenerationsintervall zum Regenerieren eines beispielsweise als Dieselpartikelfilter (DPF) ausgebildeten Partikelfilters zu verlängern, sowie die Alterung der Abgasreinigung und die dynamische Leistungsentfaltung zu verbessern. Zur Verbesserung des genannten Zielkonflikts sind Technologien mit schnellerem Ladedruckaufbau zielführend. Die Technologien können sich nach Art der Energiequelle voneinander unterscheiden: kleinere VTG Turbine mit höherem Wirkungsgrad im Bereich geringer Durchflussmengen
Turbine mit geringerer Massenträgheit zum Beispiel Keramik oder TiAl mechanischer Zusatzverdichter
Drucklufteinblasung oder Lufteinblasung vor Turbine elektrischer Zusatzverdichter elektrischer Turbolader
Im Fall eines Lastsprungs bei konstanter Drehzahl ergibt sich für eine dieselmotorische Anwendung ein Zusammenhang, bei dem die Stickoxidemission bis zum Erreichen des maximalen Drehmoments sinkt. In einer entsprechenden Auswertung wird beispielsweise die Zeit bis zum Erreichen eines bestimmten Drehmoments beziehungsweise die verrichtete Arbeit, das heißt das Integral der positiven Leistung aufgetragen. In gleicher Weise wird der Stickoxid-Massenstrom (NOx-Massenstrom) integriert. Durch Variation der AGR-Rate ergeben sich verschiedene x- und y-Wertepaare und es kann eine Kurve gebildet werden, die den zuvor genannten Zusammenhang veranschaulicht und insbesondere den Verlauf der Stickoxid-Emissionen über der Zeit bis zu dem Moment beziehungsweise über der verrichteten Arbeit veranschaulicht. Durch Hinzufügen eines elektrischen Verdichters beziehungsweise eines elektrischen Turboladers insbesondere in einem Laststrom mit konstanter Drehzahl ergibt sich durch kurze elektrische Unterstützung ein wesentlich schnellerer Ladedruckaufbau, jedoch ohne Anpassung der Applikation auch ein deutlich erhöhter Stickoxid-Strom. Eine Anpassung der Applikation führt zu Verbesserungen im Hinblick auf die Stickoxid-Emissionen, den Ladedruck und den Drehmomentaufbau. Es wurde gefunden, dass eine kleinere leistungsfähigere Turbine eine leichte Verbesserung in einem Zielkonflikt zwischen Stickoxid-Emissionen und vorteilhafter Dynamik bringt. Eine deutliche Verbesserung kann durch Verwendung eines elektrisch angetriebenen Turbolader beziehungsweise eines elektrischen Verdichters realisiert werden. Die Art der elektrischen Unterstützung hat Auswirkung auf das treibende Spülgefälle von der Abzweigstelle zu der Einleitstelle der beispielsweise als Hochdruck-Abgasrückführeinrichtung ausgebildeten beziehungsweise zur Durchführung einer Hochdruck-Abgasrückführung ausgebildeten Abgasrückführeinrichtung. Die Verwendung eines elektrisch antreibbaren Verdichterrads beispielsweise in einem elektrischen Turbolader oder in einem elektrischen Zusatzverdichter ermöglicht es, einen auch als Saugrohrdruck bezeichneten und in dem Ansaugtrakt herrschenden Druck zu erhöhen, ohne dass sich ein im Abgastrakt herrschender Druck vor dem Turbinenrad ebenfalls erhöht. Dadurch sinkt das treibende Spülgefälle von der Abzweigstelle zu der Einleitstelle, unabhängig vom Ausgangsniveau, wodurch kein Abgas rezirkuliert werden kann Dadurch ergibt sich keine weitere Verbesserung der Stickoxid-Emissionen, trotz der Möglichkeit, den Ladedruck schneller aufzubauen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine für einen Kraftwagen;
Fig. 2 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht der Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 3 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 4 ausschnittsweise eine schematische Vorderansicht einer Turbine für die Verbrennungskraftmaschine;
Fig. 5 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine; und Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine erste Ausführungsform einer Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen. Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine 10 als ein Dieselmotor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Motorblock 12 mit mehreren Zylindern 14 auf, wobei der jeweilige Zylinder 14 einen jeweiligen Brennraum 16 der Verbrennungskraftmaschine 10 bildet oder begrenzt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen von Luft durchströmbaren und auch als Einlasstrakt bezeichneten Ansaugtrakt 18 auf, mittels welchem die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft zu den und in die Brennräume 16 geführt wird. Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 10 einen von Abgas aus den Brennräumen 16 durchströmbaren Abgastrakt 20 auf, in welchen ein einfach auch als Krümmer bezeichneter Abgaskrümmer 22 angeordnet ist. Mittels des Abgaskrümmers 22 wird das Abgas aus den mehreren Brennräumen 16, insbesondere aus allen Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine 10, gesammelt. Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Abgasturbolader 24 auf, welcher einen im Abgastrakt 20 angeordnete Turbine 26 mit einem Turbinenrad 28 aufweist. Das Turbinenrad 28 ist von dem den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgas antreibbar. Der Abgasturbolader 24 umfasst außerdem einen in dem Ansaugtrakt 18 angeordneten Verdichter 30, mit einem Verdichterrad 32, mittels welchem durch Antreiben des Verdichterrads 32 die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft verdichtet werden kann. Dabei ist das Verdichterrad 32 über eine Welle 34 des Abgasturboladers 24 von dem Turbinenrad 28 antreibbar. Bei der ersten Ausführungsform weist der Abgasturbolader 24 eine elektrische Maschine 36 auf, mittels welcher zumindest das Verdichterrad 32 elektrisch angetrieben werden kann. Somit ist der Abgasturbolader 24 als elektrischer Abgasturbolader, das heißt als elektrisch betreibbarer Abgasturbolader ausgebildet. Ein in dem Ansaugtrakt 18 stromauf des Verdichterrads 32 herrschender Druck wird mit p1 bezeichnet. In dem Ansaugtrakt 18 ist stromab des Verdichterrads 32 und stromauf der Brennräume 16 ein Ladeluftkühler 39 angeordnet, mittels welchem die verdichtete Luft gekühlt wird. Ein in dem Ansaugtrakt 18 stromab des Ladeluftkühlers 39 und stromauf der Brennräume 16 herrschender Druck der Luft ist mit p2s bezeichnet, wobei der Luft p2s auch als Ladedruck bezeichnet wird, auf den beispielsweise die Luft mittels des Verdichterrads 32 verdichtet werden kann. Ein in dem Abgastrakt 20 stromab der Brennräume 16 und stromauf des Turbinenrads 28 herrschender Druck wird mit p3 bezeichnet.
In dem Abgastrakt 20 ist eine Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 angeordnet, welche von dem Abgas durchströmbar ist. Mittels der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 wird das Abgas nachbehandelt. Ein in dem Abgastrakt 20 stromab des Turbinenrads 28 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 herrschender Druck ist mit p4 bezeichnet. Mit T4 ist eine auch als Abgastemperatur bezeichnete Temperatur des Abgases in dem Abgastrakt 20 bezeichnet, wobei das Abgas die Temperatur T4 stromab des Turbinenrads 28 und stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 aufweist. Die Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 weist Abgasnachbehandlungselemente 40a-d auf, wobei das Abgasnachbehandlungselement 40d stromab des Turbinenrads 28 und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40c angeordnet ist. Das Abgasnachbehandlungselement 40c ist stromab des Abgasnachbehandlungselements 40d und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40b angeordnet, und das Abgasnachbehandlungselement 40b ist stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40c und stromauf des Abgasnachbehandlungselements 40a angeordnet. Das Abgasnachbehandlungselement 40d ist beispielsweise ein Oxidationskatalysator, insbesondere ein Dieseloxidationskatalysator (DOC). Das Abgasnachbehandlungselement 40c umfasst beispielsweise einen Partikelfilter, insbesondere einen Dieselpartikelfilter (DPF). Alternativ oder zusätzlich kann das Abgasnachbehandlungselement 40c einen SCR-Katalysator aufweisen. Insbesondere kann das Abgasnachbehandlungselement 40c eine für die selektive katalytische Reduktion (SCR) zum Entsticken des Abgases katalytisch wirksame Beschichtung aufweisen, mit welcher beispielsweise der Partikelfilter, insbesondere Dieselpartikelfilter, versehen sein kann. Das Abgasnachbehandlungselement 40b ist beispielsweise ein, insbesondere zweiter, SCR-Katalysator. Das Abgasnachbehandlungselement 40a ist beispielsweise ein Ammoniak-Sperr-Katalysator (ASC).
In dem Abgastrakt 20 ist stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 und somit stromab des Turbinenrads 28 bei der ersten Ausführungsform eine Abgasklappe 42 angeordnet, mittels welcher das Abgas im Abgastrakt 18 aufgestaut werden kann. Beispielsweise ist die Abgasklappe 42 in einem Leitungselement des Abgastrakts 20 angeordnet und relativ zu dem Leitungselement zwischen wenigstens zwei voneinander unterschiedlichen Stellungen bewegbar, insbesondere verschwenkbar. In einer ersten der Stellungen ist durch die Abgasklappe 42 zumindest ein Teilbereich eines von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts des Abgastrakts 20 mittels der Abgasklappe 42 versperrt, sodass kein Abgas mehr durch den Teilbereich hindurchströmen kann. In der zweiten Stellung gibt die Abgasklappe 42 beispielsweise den Teilbereich frei.
Der Turbine 26, insbesondere dem Turbinenrad 28, ist eine Umgehungseinrichtung 44 zugeordnet. Die Umgehungseinrichtung 44 umfasst eine Umgehungsleitung 46, welche auch als Bypass-Leitung oder Wastegate-Leitung bezeichnet wird. Die Umgehungsleitung 46 ist an Verbindungsstellen V1 und V2 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 verbunden, die Verbindungsstelle V1 ist stromauf des Turbinenrads 28 angeordnet, und die Verbindungsstelle V2 ist stromab des Turbinenrads 28 und insbesondere stromauf der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38 angeordnet. Mittels der Umgehungsleitung 46 kann an der Verbindungsstelle V1 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 46 eingeleitet werden. Das abgezweigte Abgas kann die Umgehungsleitung 46 durchströmen und wird mittels der Umgehungsleitung 46 zu der Verbindungsstelle V2 geführt, an welcher das die Umgehungsleitung 46 durchströmende Abgas aus der Umgehungsleitung 46 ausströmen und wieder in den Abgastrakt 20 einströmen kann. Das die Umgehungsleitung 46 durchströmende Abgas umgeht das Turbinenrad 28, sodass das Turbinenrad 28 nicht von dem die Umgehungsleitung 46 durchströmenden Abgas angetrieben wird. Die Umgehungseinrichtung 44 umfasst außerdem ein auch als Wastegate oder Wastegate-Ventil oder Bypass-Ventil bezeichnetes Ventilelement 48, mittels welchem eine Menge des die Umgehungsleitung 46 durchströmenden Abgases einstellbar ist. Durch Einstellen der Menge des die Umgehungsleitung 46 durchströmenden Abgases sind beispielsweise eine auch als Turbinenleistung bezeichnete Leistung der Turbinen 26 und hierdurch der Ladedruck (Druck p2s) einstellbar.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist eine erste Abgasrückführeinrichtung 50 auf, mittels welcher eine als Hochdruck-Abgasrückführung ausgebildete Abgasrückführung durchführbar ist. Somit ist die Abgasrückführeinrichtung 50 als Hochdruck- Abgasrückführeinrichtung ausgebildet. Die Abgasrückführeinrichtung 50 umfasst eine Rückführleitung 52, welche auch als Abgasrückführleitung bezeichnet wird. Die Rückführleitung 52 ist an einer Abzweigstelle A1 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 und an einer Einleitstelle E1 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden, sodass mittels der Rückführleitung 52 an der Abzweigstelle A1 zumindest ein Teil des den Abgasrückführeinrichtung 50 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt und in die Rückführleitung 52 eingeleitet werden kann. Das abgezweigte und in die Rückführleitung 52 eingeleitete Abgas kann die Rückführleitung 52 durchströmen und wird mittels der Rückführleitung 52 zu der Einleitstelle E1 geleitet. An der Einleitstelle E1 kann das die Rückführleitung 52 durchströmende Abgas aus der Rückführleitung 52 ausströmen und in der Folge in den Ansaugtrakt 18 einströmen, wodurch das die Rückführleitung 52 durchströmende Abgas an der Einleitstelle E1 in den Ansaugtrakt 18 und somit in die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft eingeleitet wird. Bei der ersten Ausführungsform ist die Abgasrückführeinrichtung 50 als gekühlte und ungekühlte Abgasrückführeinrichtung ausgebildet. Hierunter ist insbesondere folgendes zu verstehen: In der Rückführleitung 52 ist ein Abgasrückführkühler 54 angeordnet, mittels welchem zumindest ein Teil des die Rückführleitung 52 durchströmenden Abgases gekühlt werden kann. Ferner weist die Abgasrückführeinrichtung 50 eine weitere Umgehungsleitung 56 auf, welche an den Stellen S1 und S2 fluidisch mit der Rückführleitung 52 verbunden ist. Die Stelle S1 ist in der Rückführleitung 52 stromauf des Abgasrückführkühlers 54 angeordnet, und die Stelle S2 ist in der Rückführleitung 52 stromab des Abgasrückführkühlers 54 und stromauf der Einleitstelle E1 angeordnet. Mittels der weiteren Umgehungsleitung 56 kann zumindest ein Teil des die Rückführleitung 52 durchströmenden Abgases an der Stelle S1 aus der Rückführleitung 52 abgezweigt und in die weitere Umgehungsleitung 56 eingeleitet werden. Das in die weitere Umgehungsleitung 56 eingeleitete Abgas durchströmt die weitere Umgehungsleitung 56 und wird mittels der weiteren Umgehungsleitung 56 zu der Stelle S2 geführt. An der Stelle S2 kann das die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas aus der weiteren Umgehungsleitung 56 ausströmen und in die Rückführleitung 52 einströmen. Das die weitere
Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas umgeht den Abgasrückführkühler 54. Dies bedeutet, dass das die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmende Abgas nicht durch den Abgasrückführkühler 54 hindurchströmt und somit nicht mittels des Abgasrückführkühlers 54 gekühlt wird, sondern ungekühlt bleibt. In der weiteren Umgehungsleitung 56 ist ein Ventilelement 58 angeordnet, mittels welchem eine Menge des die weitere Umgehungsleitung 56 durchströmenden Abgases einstellbar ist.
Die Abgasrückführeinrichtung 50 umfasst außerdem ein Abgasrückführventil 60, mittels welchem eine Menge des die Rückführleitung 52 durchströmenden Abgases, das heißt eine Menge des Abgases einstellbar ist, welches mittels der Rückführleitung 52 an der Abzweigstelle A1 aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt wird. In dem Ansaugtrakt 18 ist, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 39 und stromauf der Brennräume 16, insbesondere stromauf der Einleitstelle E1 , eine Drosselklappe 62 angeordnet, mittels welcher eine den Brennräumen 16 zuzuführende Menge der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft eingestellt werden kann.
Des Weiteren weist die Verbrennungskraftmaschine 10 eine zweite Abgasrückführeinrichtung 64 auf, welche als Niederdruck-Abgasrückführeinrichtung ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass mittels der zweiten Abgasrückführeinrichtung 64 eine als Niederdruck-Abgasrückführung ausgebildete Abgasrückführung durchgeführt werden kann. Hierfür umfasst die Abgasrückführeinrichtung 64 eine zweite Rückführleitung 66, welche auch als zweite Abgasrückführleitung bezeichnet wird. Die zweite Rückführleitung 66 ist an einer zweiten Abzweigstelle A2 fluidisch mit dem Abgastrakt 20 und an einer zweiten Einleitstelle E2 fluidisch mit Ansaugtrakt 18 verbunden. Mittels der zweiten Rückführleitung 66 kann an der zweiten Abzweigstelle A2 zumindest ein Teil des den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgases aus dem Abgastrakt abgezweigt und in die zweite Rückführleitung 66 eingeleitet werden. Das an der Abzweigstelle A2 abgezweigte und in die zweite Rückführleitung 66 eingeleitete Abgas kann die zweite Rückführleitung 66 durchströmen und wird mittels der zweiten Rückführleitung 66 zu der Einleitstelle E2 geleitet. An der Einleitstelle E2 kann das die Rückführleitung 66 durchströmende Abgas aus der Rückführleitung 66 ausströmen und in den Ansaugtrakt 18 hineinströmen, sodass das die Rückführleitung 66 durchströmende Abgas an der Einleitstelle E2 in den Ansaugtrakt 18 und somit in die den Ansaugtrakt 18 durchströmende Luft einleitbar ist oder eingeleitet wird. Aus Fig. 1 ist erkennbar, dass die Einleitstelle E2 in dem Ansaugtrakt 18 stromauf des Verdichterrads 32 angeordnet ist. Die Abzweigstelle A2 ist in dem Abgastrakt 20 stromab des Turbinenrads 28, insbesondere stromab der Abgasnachbehandlungseinrichtung 38, und dabei stromauf der Abgaskappe 42 angeordnet. Außerdem ist erkennbar, dass die Abzweigstelle A1 stromauf des Turbinenrads 28 in dem Abgastrakt 20 angeordnet ist.
Die zweite Abgasrückführeinrichtung 64 kann einen insbesondere zweiten Abgasrückführkühler 68 aufweisen, welcher in der zweiten Rückführleitung 66 angeordnet ist. Mittels des Abgasrückführkühlers 68 kann das zur Rückführleitung 66 durchströmende Abgas gekühlt werden. Des Weiteren weist beispielsweise die zweite Abgasrückführeinrichtung 64 ein zweites Abgasrückführventil 70 auf, welches in der zweiten Rückführleitung 66 angeordnet ist. Mittels des Abgasrückführventils 70 kann eine Menge des die Rückführleitung 66 durchströmenden Abgases, das heißt eine Menge des Abgases eingestellt werden, die an der Abzweigstelle A2 mittels der Rückführleitung 66 aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt und in die Rückführleitung 66 eingeleitet wird. Durch Verwenden des als elektrischer Turbolader ausgebildeten Abgasturboladers 24 kann durch elektrische Unterstützung mehr Leistung in den Verdichter 30 eingespeist werden. Das AGR treibende Spülgefälle von der Abzweigstelle A1 zu der Einleitstelle E1 und somit von p3 nach p2s reduziert sich. Im vorliegenden Fall wird beispielsweise davon ausgegangen, dass die AGR-Rate nicht ausreicht und die Turbine 26 insbesondere im Hinblick auf das Wastegate und/oder eine variable Turbinengeometrie (VTG) der T urbine 26 bestmöglich für die Dynamik beziehungsweise die AGR- Anforderung abgestimmt ist. Durch Schließen der auch als Ansaugluftdrosselklappe bezeichneten Drosselklappe 62 kann ein auch als Saugrohrdruck bezeichneter und in Ansaugtrakt 18 insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 39 38 herrschender Druck wie beispielsweise der Druck p2s reduziert werden. Der elektrisch gewonnene, zusätzliche Ladedruck muss künstlich weggedrosselt werden. Zudem wandert die Schlucklinie im Verdichter 30 näher zur Pumpgrenze. Eine weitere Möglichkeit, das treibende AGR-Spülgefälle zu erhöhen, stellt die Abgasklappe 42 dar. Diese erlaubt ein erhöhtes Spülgefälle, ohne Rückkoppelungen auf den Verdichter 30. Durch den gestiegenen Druck p4 reduziert sich die Turbinenleistung insbesondere zumindest im Wesentlichen proportional zu p3/p4. Diese wird durch den elektrischen Turbolader kompensiert.
Die in Fig. 1 gezeigte Verbrennungskraftmaschine 10, welche auch einfach als Motor oder Verbrennungsmotor bezeichnet wird, hat neben einer Hochdruck-AGR-Strecke von p3 nach p2s in Form der Abgasrückführeinrichtung 50 auch eine Niederdruck-AGR- Strecke von dem Umgebungsdruck nach p1 in Form der Abgasrückführeinrichtung 64, vorliegende mit der Abgasklappe 42, mittels welcher beispielsweise das Spülgefälle von dem Umgebungsdruck zu p1 aktiv beeinflusst, insbesondere eingestellt, werden kann. Die Niederdruck-AGR-Strecke ist somit eine zusätzliche Niederdruck-AGR-Strecke, die einen schnelleren Ladedruckaufbau ermöglicht, da der komplette AGR-Massenstrom über die Turbine 26 genutzt wird. Mithilfe des elektrischen Turboladers kann dieser Vorteil leicht kompensiert werden, sodass die Niederdruck-AGR-Strecke beziehungsweise die Niederdruck-Abgasrückführung als Stickoxid- und Dynamikmaßnahme nicht zwingend erforderlich ist. Zudem steht die Niederdruck- Abgasrückführung bei sehr kalten Temperaturen insbesondere wegen Kondensat- und Eisbildung nicht unbedingt zur Verfügung.
Mit Entfall der Niederdruck-AGR-Strecke (Abgasrückführeinrichtung 64) kann auch die Abgasklappe 42 zur Disposition gestellt werden. Aus diesem Grund beziehungsweise dann wird beispielsweise der insbesondere als elektrische Turbolader ausgebildete Abgasturbolader 24 mit einem Abgasrückführventil, wie beispielsweise im Abgasrückführventil 60 vorgeschlagen oder ausgestattet, was beispielsweise in Fig. 2 gezeigt ist. In Fig. 2 ist ein von dem den Abgastrakt 20 durchströmenden Abgas durchströmbares Abgasführungselement ausschnittsweise erkennbar und mit 72 bezeichnet. Bei dem Abgasführungselement 72 handelt es sich beispielsweise um ein Turbinengehäuse, in welchem das Turbinenrad 28 drehbar angeordnet ist. Ferner kann es sich bei dem Abgasführungselement 72 um ein Abgasführungselement handeln, welches in dem Abgastrakt 20 stromauf des Turbinenrads 28 und insbesondere stromauf des Turbinengehäuses und somit außerhalb des Turbinengehäuses angeordnet sein kann.
In Fig. 2 ist ein Gesamtstrom des Abgases durch einen Pfeil 74 veranschaulicht. Dass das Turbinenrad 28 anströmende und dadurch antreibende Abgas ist in Fig. 2 durch einen Teil 76 veranschaulicht, und ein Pfeil 78 veranschaulicht das Abgas, welches stromauf des Turbinenrads 28 mittels der Rückführleitung 52 an der Abzweigstelle A1 aus dem Abgastrakt 20 abgezweigt wird und somit das Turbinenrad 28 nicht antreibt. In dieser vorteilhaften Konstruktion ist das Abgasrückführventil 60 eine Klappe, die beispielsweise in den Hauptabgasstrom zu dem Turbinenrad 28 geschwenkt wird. Dadurch wird eine insbesondere notwendige Abgasrückführung erzwungen. Im Grenzfall ist vorstellbar, dass die Strecke vom Krümmer in die Turbine 26 komplett verschlossen ist und der komplette Abgasmassenstrom auf die Saugseite gedrückt wird, mithin rückgeführt wird. Dadurch wäre eine AGR-Rate von 100 Prozent möglich.
Fig. 3 zeigt ausschnittsweise eine zweite Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Das Abgasführungselement 72 kann beispielsweise der Abgaskrümmer 22 sein, sodass es denkbar ist, insbesondere im Hinblick auf Fig. 2, dass das Abgasrückführventil 60 in dem Abgaskrümmer 22 angeordnet und zum Einstellen der Menge des rückzuführenden Abgases relativ zu dem Abgaskrümmer 22 bewegbar, insbesondere verschwenkbar, ist. Demgegenüber ist bei der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform in dem Abgasführungselement 72, insbesondere in dem Abgaskrümmer 22, eine feste, mithin relativ zu dem Abgasführungselement 72 (Abgaskrümmer 22) nicht bewegbare Weiche 80 vorgesehen, mittels welcher der durch den Pfeil 74 veranschaulichte Gesamtstrom des Abgases in den Turbinenstrom (Pfeil 76) und dem AGR-Storm (Pfeil 78) aufgeteilt wird.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Vorderansicht die Turbine 26 mit dem Turbinenrad
28. Aus Fig. 4 ist erkennbar, dass die Turbine 26 eine variable Turbinengeometrie (VTG) 82 aufweisen kann. Die variable Turbinengeometrie 82 umfasst relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbare, insbesondere verschwenkbare, Leitschaufeln 84, mittels welchen beispielsweise ein von dem das Turbinenrad 28 anströmenden Abgas durchströmbarer Strömungsquerschnitt, insbesondere in dem Turbinengehäuse, variierbar ist. In Fig. 4 ist mit 86 ein Drehpol einer der Leitschaufeln 84 bezeichnet. Außerdem ist ein Mindestspalt, durch welchen das Abgas hindurchströmen kann, mit 88 bezeichnet. Die variable Turbinengeometrie 82 ist beispielsweise eine stark dichtschließende variable Turbinengeometrie, wobei der radial minimale Spalt und der axiale Spalt minimiert werden, sodass der Durchsatzparameter der Turbine 26 weiter reduziert werden kann. Ein etwaiger Wirkungsgradnachteil und eine daraus resultierende, geringere Turbinenleistung, werden durch den elektrischen Turbolader kompensiert.
Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Verbrennungskraftmaschine 10. Bei der dritten Ausführungsform ist zusätzlich zu dem Abgasturbolader 24 ein Zusatzverdichter 90 in dem Ansaugtrakt 18 angeordnet, wobei der Zusatzverdichter 90 ein elektrischer Zusatzverdichter ist. Außerdem ist bei der dritten Ausführungsform der Abgasturbolader 24 nicht als elektrischer Abgasturbolader ausgebildet, sodass keine elektrische Maschine zum elektrischen Antreiben des Verdichterrads 32 vorgesehen ist. Der Druck p2s herrscht dabei stromab des Zusatzverdichters 90, wobei ein stromab des Ladeluftkühlers 39 und stromauf des Zusatzverdichters 90 in dem Ansaugtrakt 18 herrschender Druck mit p2n bezeichnet ist. Der Zusatzverdichter 90 weist ein in dem Ansaugtrakt 18 angeordnetes Verdichterrad 92 auf, welches zusätzlich zu dem Verdichterrad 32 vorgesehen ist. Das Verdichterrad 92 ist stromab des Verdichterrads 32 und dabei stromab des Ladeluftkühlers 39 angeordnet. Außerdem umfasst der Zusatzverdichter 90 eine elektrische Maschine 94, mittels welcher das Verdichterrad 92 antreibbar ist. Durch Antreiben des Verdichterrads 92 kann zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden Luft verdichtet werden.
Dem Verdichterrad 92 ist eine weitere Umgehungseinrichtung 96 zugeordnet, welche eine weitere Umgehungsleitung 98 aufweist. Die weitere Umgehungsleitung 98 ist an Stellen S3 und S4 fluidisch mit dem Ansaugtrakt 18 verbunden. Die Stelle S3 ist stromauf des Verdichterrads 92 und stromab des Verdichterrads 32, insbesondere stromab des Ladeluftkühlers 39, angeordnet. Die Stelle S4 ist stromab des Verdichterrads 92 und stromauf der Brennräume 16 angeordnet. Mittels der Umgehungsleitung 98 kann zumindest ein Teil der den Ansaugtrakt 18 durchströmenden und insbesondere mittels des Verdichterrads 32 verdichteten Luft an der Stelle S3 aus dem Ansaugtrakt 18 abgezweigt und in die Umgehungsleitung 98 eingeleitet werden. Die in die Umgehungsleitung 98 eingeleitete Luft durchströmt die Umgehungsleitung 98 und wird mittels der Umgehungsleitung 98 zu der Stelle S4 geleitet. An der Stelle S4 kann die die Umgehungsleitung 98 durchströmende Luft aus der Umgehungsleitung 98 herausgeleitet und in den Ansaugtrakt 18 eingeleitet werden. Die die Umgehungsleitung 98 durchströmende Luft umgeht das Verdichterrad 92 und wird somit nicht mittels des Verdichterrads 92 verdichtet.
Bei der in Fig. 5 gezeigten, dritten Ausführungsform ist in der Umgehungsleitung 98 ein Ventilelement 100 ausgebildet, welches gemäß Fig. 5 als ein Rückschlagventil ausgebildet sein kann, das in Richtung der Stelle S3 sperrt und in entgegengesetzter Richtung und somit in Richtung der Stelle S4 öffnet, sodass das Ventilelement 100 eine Strömung der die Umgehungsleitung 98 durchströmenden Luft von der Stelle S3 hin zu der Stelle S4 zulässt, jedoch eine Strömung von Luft in der Umgehungsleitung 98 von der Stelle S4 hinter der Stelle S3 unterbindet, das heißt vermeidet. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Verdichterrad 92 und/oder die Stelle S3 stromab der Einleitstelle E1 und somit stromab der AGR-Einleitung angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Hochdruck-Abgasrückführung nach dem Ladeluftkühler 39 und vor dem elektrischen Zusatzverdichter 90 insbesondere an einer Stelle, an welcher der Druck p2n herrscht, in den Ansaugtrakt 18 eingebracht wird. Der über dem elektrischen Zusatzverdichter 90 erhöhte Ladedruck reduziert nicht das treibende Spülgefälle. Das vorliegend als Rückschlagventil ausgebildete Ventilelement 100 verhindert ein Rückströmen von Luft von p2s nach p2n. Das Ventilelement 100 ist normalerweise beziehungsweise dann, wenn es zu einer Fehlfunktion kommt, offen und schließt sich nur, wenn der Druck p2s größer ist als der Druck p2n. Ohne Ansteuerung des elektrischen Zusatzverdichters 90 ist das Ventilelement 100 (Rückschlagventil) offen.
Alternativ ist es denkbar, dass die Ansaugluftdrosselklappe (Drosselklappe 62) die Funktion des beispielsweise als Bypass-Klappe ausgebildeten Ventilelements 100 ersetzt. Der elektrische Zusatzverdichter 90 hat zudem den Vorteil, dass durch das zusätzliche Verdichterkennfeld die Pumpgrenze erweitert wird, was im Falle hoher AGR- Raten bei geringen Drehzahlen ein Vorteil ist. Der Zusatzverdichter 90 wird beispielsweise instationär während des Drehmomentaufbaus kurzfristig mit AGR betrieben und die verdichtete Luft wird nicht gekühlt.
Durch die beschriebenen Ausführungsformen kann eine deutliche Verbesserung des Zielkonflikts im Hinblick auf Stickoxide und Dynamik erreicht werden. Mit einer vergleichbaren Fahrleistung kann eine deutliche Absenkung der Stickoxid-Emissionen erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist durch den Zusatzverdichter 90 dadurch gegeben, dass dieser wie eine Hochdruckstufe wirkt und den Volumenstrom des Verdichters 30 nicht reduziert, wodurch dieser mehr Abstand zur Stabilitätsgrenze (Funkgrenze) hat. Es können instationär, das heißt dynamisch besonders hohe Hochdruck-AGR-Raten gefahren werden.
Bei einer in den Figuren nicht dargestellten Ausführungsform ist es denkbar, dass das Ventilelement 100 als eine aktive Drosselklappe wie beispielsweise die Drosselklappe 62 ausgebildet ist. Somit kann beispielsweise mittels des Ventilelements 100 eine Menge der die Umgehungsleitung 98 durchströmenden und somit den Zusatzverdichter 90 umgehenden Luft, insbesondere aktiv, eingestellt werden. Für einen gedrosselten Betrieb sollte der elektrische Zusatzverdichter 90 ausreichend Druckverlust generieren. Dies kann durch den stehenden Betrieb oder durch Drehen entgegen der Strömungsrichtung erreicht werden.
Schließlich zeigt Fig. 6 die Verbrennungskraftmaschine 10 gemäß einer vierten Ausführungsform. Bei der vierten Ausführungsform ist der elektrische Zusatzverdichter 90 in dem Ansaugtrakt 18 und dabei jedoch stromab des Verdichterrads 32 des Verdichters 30 und stromauf des Ladeluftkühlers 39 angeordnet. Bei der vierten Ausführungsform ist der Abgasturbolader 24 als elektrischer Abgasturbolader, das heißt als elektrische unterstützter Abgasturbolader ausgebildet und umfasst demzufolge die elektrische Maschine 36.
Bezugszeichenliste
10 Verbrennungskraftmaschine
12 Motorblock
14 Zylinder
16 Brennraum
18 Ansaugtrakt
20 Abgastrakt
22 Abgaskrümmer
24 Abgasturbolader
26 Turbine
28 Turbinenrad
30 Verdichter
32 Verdichterrad
34 Welle
36 elektrische Maschine
38 Abgasnachbehandlungseinrichtung
39 Ladeluftkühler
40a-d Abgasnachbehandlungselement
42 Abgasklappe
44 Umgehungseinrichtung
46 Umgehungsleitung
48 Ventilelement
50 Abgasrückführeinrichtung
52 Rückführleitung
54 Abgasrückführkühler
56 Umgehungsleitung
58 Ventilelement
60 A bg as rü ckf ü h rve nti I
62 Drosselklappe
64 Abgasrückführeinrichtung
66 Rückführleitung
68 Abgasrückführkühler
70 A bg as rü ckf ü h rve nti I
72 Abgasführungselement 74 Pfeil 76 Pfeil 78 Pfeil 80 Weiche 82 Variable Turbinengeometrie 84 Leitschaufel 86 Drehpol 88 Minimaler Spalt 90 Elektrischer Zusatzverdichter 92 Verdichterrad
94 Elektrische Maschine 96 Umgehungseinrichtung 98 Umgehungsleitung 100 Ventilelement A1 Abzweigstelle A2 Abzweigstelle E1 Einleitstelle E2 Einleitstelle p1 Druck P2 Druck p2n Druck p2s Druck
P3 Druck p4 Druck s1 Stelle s2 Stelle s3 Stelle s4 Stelle T4 Temperatur

Claims

Patentansprüche Verbrennungskraftmaschine (10) für einen Kraftwagen, mit einem von Abgas der Verbrennungskraftmaschine (10) durchströmbaren Abgastrakt (20), mit einem im Abgastrakt (20) angeordneten und von dem Abgas antreibbaren Turbinenrad (28), und mit einer Abgasrückführeinrichtung (50), welche eine Abgasrückführleitung (52) aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil des Abgases an einer stromauf des Turbinenrads (28) angeordneten Abzweigstelle (A1) aus dem Abgastrakt (20) abzweigbar und zu einem von Luft durchströmbaren Ansaugtrakt (18) der Verbrennungskraftmaschine (10) rückführbar und an einer Einleitstelle (E1) in den Ansaugtrakt (18) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ansaugtrakt (18) stromauf oder stromab der Einleitstelle (E1) ein elektrisch antreibbares Verdichterrad (32, 92) zum Verdichten der den Ansaugtrakt (18) durchströmenden Luft angeordnet ist. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgastrakt (20) stromab des Turbinenrads (28) eine Abgasklappe (42) zum Aufstauen des Abgases angeordnet ist. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasrückführeinrichtung (50) ein Abgasrückführventil (60) aufweist, mittels welchem eine Menge des die Abgasrückführleitung (52) durchströmenden Abgases einstellbar ist. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (28) in einem von dem Abgas durchströmbaren Turbinengehäuse angeordnet und relativ zu dem Turbinengehäuse drehbar ist, wobei auch das Abgasrückführventil (60) in dem Turbinengehäuse angeordnet und zum Einstellen der Menge relativ zu dem Turbinengehäuse bewegbar ist. Verbrennungskraftmaschine (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abgastrakt (20) ein Abgaskrümmer (22) angeordnet ist, in welchem das Abgas aus mehreren Brennräumen (16) der Verbrennungskraftmaschine (10) zu sammeln ist, wobei das Abgasrückführventil (60) in dem Abgaskrümmer (22) angeordnet und zum Einstellen der Menge relativ zu dem Abgaskrümmer (22) bewegbar ist. Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Turbinenrad (28) ein Turbinenrad (28) einer Turbine (26) mit variabler Turbinengeometrie (82) ist. Verbrennungskraftmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Saugseite ein Zusatzverdichter (92) angeordnet ist und die Abgasrückführung (50) vor dem Zusatzverdichter (92) eingeleitet wird (E1).
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