DE102018124693A1 - Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine - Google Patents

Internal combustion engine and method for operating an internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Ein Verbrennungsmotor (1) umfasst einen Frischluftstrang zur Versorgung zumindest einer Brennkammer (20) des Motors (1) mit Ladegas und einen Verdichter (10), der eingerichtet ist, in einer ersten Betriebsweise mit einer ersten Förderrichtung Ladegas in einen Ladegasbereich (22) zu fördern, der der Brennkammer (20) vorgelagert ist. In einer zweiten Betriebsweise mit einer der ersten Förderrichtung entgegengesetzten Förderrichtung fördert der Verdichter Ladegas aus dem Ladegasbereich (22) heraus, so dass es über einen Bypass (30) wieder in den Ladegasbereich (22) zurückströmen kann.

Figure DE102018124693A1_0000
An internal combustion engine (1) comprises a fresh air line for supplying at least one combustion chamber (20) of the engine (1) with charging gas and a compressor (10) which is adapted to charge gas in a charging gas region (22) in a first operating mode with a first conveying direction promote, which is upstream of the combustion chamber (20). In a second mode of operation with a conveying direction opposite to the first conveying direction, the compressor conveys charge gas out of the charging gas region (22), so that it can flow back into the charging gas region (22) via a bypass (30).
Figure DE102018124693A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betrieb von Verbrennungsmotoren, insbesondere unter der Zielsetzung von guten Abgaswerten im Fall eines Kaltstarts.The present invention relates to an internal combustion engine and a method of operating internal combustion engines, in particular with the aim of achieving good exhaust emissions in the event of a cold start.

Es ist allgemein bekannt, dass Katalysatoren zur Abgasreinigung eine gewisse minimale Arbeitstemperatur benötigen, ab der die (katalytische) Abgasreinigung stattfindet. Beim Starten des Motors und der nachfolgenden Zeitspanne bis zum Erreichen dieser Arbeitstemperatur des Katalysators kann entsprechend technisch bedingt keine optimale Abgasreinigung vorgenommen werden.It is well known that catalysts for exhaust gas purification require a certain minimum working temperature, from which the (catalytic) exhaust gas purification takes place. When starting the engine and the subsequent period until reaching this operating temperature of the catalyst can be made for technical reasons, no optimal emission control.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbrennungsmotor und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, mit dem es möglich ist, beschleunigt den Motor und somit auch den Katalysator auf die benötigte Arbeitstemperatur zu bringen. Zudem soll dabei eine möglichst große Anzahl von bereits vorhandenen Motorkomponenten zum Einsatz kommen, um so den kostenmäßigen und technischen Aufwand möglichst gering zu halten.The object of the present invention is to provide an internal combustion engine and a corresponding method with which it is possible to accelerate the engine and thus also bring the catalyst to the required working temperature. In addition, while the largest possible number of existing engine components are used, so as to keep the cost and technical complexity as low as possible.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved with the features of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims.

Ein Verbrennungsmotor weist einen Frischluftstrang zur Versorgung zumindest einer Brennkammer des Motors mit Ladegas und einen Verdichter auf, der eingerichtet ist, in einer ersten Betriebsweise in einer ersten Förderrichtung Ladegas in einen Ladegasbereich zu fördern, der der Brennkammer vorgelagert ist. Das Ladegas kann insbesondere auch als Frischladung bezeichnet werden. Der Verdichter ist in einer zweiten Betriebsweise mit einer der ersten Förderrichtung entgegengesetzten Förderrichtung eingerichtet, Ladegas aus dem Ladegasbereich zu fördern und über einen Bypass wieder in den Ladegasbereich rückströmen zu lassen. Insbesondere kann ein Sammler und/oder ein Plenum des Saugrohrs als Ladegasbereich verstanden werden. Insbesondere entspricht die zweite Betriebsweise also nicht dem üblichen Betrieb eines Verbrennungsmotors mit der Verdichtung des Ladegases in Fließrichtung zu dem Motor. Um diese Förderrichtung zu erreichen, kann insbesondere ein zusätzlicher (Elektro-) Motor zum Einsatz kommen. Bspw. kann währenddessen die Turbine eines Abgasturboladers „falschherum“ angetrieben werden, was zu verschlechterten Strömungsbedingungen führt und zu einem Druckanstieg im Abgasbereich des Verbrennungsmotors. In Folge dessen wird die Antriebsleistung des Elektromotors bedingt durch die unvorteilhaften Strömungsbedingungen zu einem hohen Anteil in Wärme dissipiert. Ferner kann sich ein Druckanstieg durch die zugenommene Drosselwirkung der Turbine ergeben. Alle diese Maßnahmen können jede für sich und/oder gemeinsam dafür sorgen, dass sich der Katalysator bei Kaltstartbedingungen schneller erwärmt, was zu einem beschleunigten Erreichen des Katalysators zu der Arbeitsbedingung führt. Der Betrieb „falschherum“ entspricht der Drehrichtung, die der Hauptauslegung entgegengengesetzt ist.An internal combustion engine has a fresh air line for supplying at least one combustion chamber of the engine with charging gas and a compressor which is set up to convey charging gas in a first operating direction into a charging gas region upstream of the combustion chamber in a first operating mode. The charge gas can also be referred to as fresh charge in particular. In a second mode of operation, the compressor is set up with a conveying direction opposite to the first conveying direction, conveying charge gas from the charging gas area and allowing it to flow back into the charging gas area via a bypass. In particular, a collector and / or a plenum of the intake manifold can be understood as Ladegasbereich. In particular, therefore, the second mode of operation does not correspond to the usual operation of an internal combustion engine with the compression of the charging gas in the direction of flow to the engine. In order to achieve this conveying direction, in particular an additional (electric) motor can be used. For example. meanwhile, the turbine of an exhaust gas turbocharger can be driven "wrongly", which leads to deteriorated flow conditions and to a pressure increase in the exhaust gas region of the internal combustion engine. As a result, the drive power of the electric motor is dissipated due to the unfavorable flow conditions to a high proportion in heat. Further, a pressure increase may result due to the increased throttle effect of the turbine. All of these measures can individually and / or jointly ensure that the catalyst heats up faster in cold start conditions, which leads to an accelerated achievement of the catalyst to the working condition. Operation "wrong" corresponds to the direction of rotation opposite to the main design.

Vorteilhaft ist ferner, wenn der Motor eingerichtet ist, den Verdichter einer dritten Betriebsweise zu betreiben und ein Bypass, insbesondere der Bypass der zweiten Betriebsweise, eingerichtet ist, Ladegas aus dem Ladegasbereich in einen Bereich vor dem Eingang des Verdichters zu fördern. Insbesondere kann die Drehrichtung des Verdichters in der dritten Betriebsweise der Drehrichtung der ersten Betriebsweise entsprechen. Die dritte Betriebsweise ist eine Betriebsweise, die vorteilhaft ist, um die Ansauglufttemperatur des Motors zu erhöhen. Dies kann insbesondere zu einer Leistungssteigerung des Motors führen. So ist der Unterschied der einzelnen Betriebsweisen im Prinzip lediglich und bevorzugt nur ein Unterschied in der Motorsteuerung. Da Anpassungen der Motorsteuerung bei einer Serienproduktion ohne Mehrkosten möglich sind, ist es so einfach und weitestgehend kostenneutral möglich, über die unterschiedlichen Betriebsweisen die nachfolgend erläuterten Vorteile während der unterschiedlichen Betriebszustände zu erzielen.It is also advantageous if the engine is set up to operate the compressor of a third mode of operation and a bypass, in particular the bypass of the second mode of operation, is arranged to convey charge gas from the charge gas area into an area in front of the inlet of the compressor. In particular, the direction of rotation of the compressor in the third mode of operation may correspond to the direction of rotation of the first mode of operation. The third mode of operation is an operation that is advantageous for increasing the intake air temperature of the engine. This can in particular lead to an increase in the power of the engine. So the difference of the individual modes of operation is in principle only and preferably only a difference in the engine control. Since adjustments of the engine control in a mass production are possible at no extra cost, it is so easy and largely cost-neutral possible to achieve over the different modes of operation, the advantages explained below during the different operating conditions.

Insbesondere kann der Verdichter Teil eines Abgasturboladers sein, wobei sich der Abgasturbolader zumindest aus dem Verdichter und einer Turbine zusammensetzt und optional mit einem (Elektro-)Motor versehen sein kann. Die Verwendung einer Turbine ist eine vorteilhafte Anordnung, die für den Betrieb des Verbrennungsmotors unter normalen Lastbedingungen eine Ladegasverdichtung bewirkt oder unterstützt. In particular, the compressor may be part of an exhaust gas turbocharger, wherein the exhaust gas turbocharger composed at least of the compressor and a turbine and may optionally be provided with an (electric) motor. The use of a turbine is an advantageous arrangement which effects or promotes charge gas compression for the operation of the internal combustion engine under normal load conditions.

Der (Elektro-)Motor kann eine Unterstützung des Beschleunigungsverhaltens des Abgasturboladers bewirken. Er kann auch als Generator verwendet werden.The (electric) engine can bring about support for the acceleration behavior of the exhaust gas turbocharger. It can also be used as a generator.

Vorteilhaft ist ferner, wenn für den Abgasturbolader abgasseitig ein Abgasbypass vorgesehen ist, der schalt- und/oder regelbar eingerichtet ist, wahlweise die Turbine des Abgasturboladers zu überbrücken. Der Verbrennungsmotor kann in der zweiten Betriebsweise so eingerichtet sein, dass der Abgasbypass nicht zum Einsatz kommt. So muss der Elektromotor teilweise gegen den Druck des Abgases arbeiten, was zunächst bewirkt, dass der Massendurchsatz durch die Turbine sinkt. Die Antriebsleistung des Elektromotors wird in der Turbine anteilig in Wärme umgewandelt, da die Turbine in umgekehrter Drehrichtung nur einen äußerst geringen aerodynamischen Wirkungsgrad aufweist. Zudem sorgt der Wärmefluss innerhalb des Abgasturboladers dafür, dass sich das Ladegas erwärmt und über diese Maßnahmen wird eine beschleunigte Erwärmung des Motors bei einem Kaltstart erzielt. Ein Wärmefluss innerhalb des Turboladers ist existent, aber ungünstig für das Kaltheizen, da Abgasenthalpie verloren geht. Nur ein geringer Teil wird von der Turbine in die Frischluft übertragen, da die Struktur noch „kalt“ ist und die Wärme zunächst aufnimmt. Der Motor selbst wird nicht zwingend schneller erwärmt - jedoch der Katalysator.It is also advantageous if an exhaust gas bypass is provided for the exhaust gas turbocharger on the exhaust side, which is arranged switchable and / or adjustable, optionally to bridge the turbine of the exhaust gas turbocharger. The internal combustion engine may be set up in the second mode of operation so that the exhaust gas bypass is not used. Thus, the electric motor must partially work against the pressure of the exhaust gas, which initially causes the mass flow rate through the turbine to decrease. The drive power of the electric motor is proportionally converted into heat in the turbine, since the turbine in reversed direction of rotation only has a very low aerodynamic efficiency. In addition, the heat flow within the exhaust gas turbocharger ensures that the charge gas heats up and, by means of these measures, accelerated heating of the engine during a cold start is achieved. A heat flow within the turbocharger is present, but unfavorable for the cold heating, since exhaust enthalpy is lost. Only a small part is transferred from the turbine to the fresh air, because the structure is still "cold" and absorbs the heat first. The engine itself is not necessarily heated faster - but the catalyst.

Zudem und/oder alternativ kann der Abgasturbolader in der dritten Betriebsweise so eingerichtet sein, dass ein Abgasbypass für die Turbine zur Verwendung kommt. Zudem und/oder alternativ kann der Motor in der ersten Betriebsweise so eingerichtet sein, dass kein Abgasbypass für die Turbine zur Verwendung kommt.In addition and / or alternatively, the exhaust gas turbocharger in the third operating mode can be set up so that an exhaust gas bypass for the turbine is used. Additionally and / or alternatively, in the first mode of operation, the engine may be configured so that no exhaust gas bypass for the turbine is used.

In einem Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors wird ein Verdichter in einer ersten Betriebsweise so angetrieben, dass er Ladegas in Richtung zu dem saugseitigen Eingang des Motors fördert. Er wird in einer zweiten Betriebsweise so angetrieben, dass der Verdichter Gas, insbesondere Ladegas, von dem saugseitigen Eingang des Motors wegfördert. Ein Motor, insbesondere ein Elektromotor, kann bevorzugt mit dem Verdichter und einer Turbine antreibend gekoppelt sein und der Motor treibt die Turbine so an, dass die sich ergebende Rotationsrichtung umgekehrt zu der Rotationsrichtung ist, die sich bei der abgasbetriebenen Turbine ohne die genannte motorische Kopplung ergeben würde. So wird relativ hoher Anteil der (elektrischen) Antriebsenergie dissipiert, was zu einer schnelleren Erwärmung des Verbrennungsmotors am Turbinenaustritt hin zu der Mindesttemperatur eines Katalysators führt.In a method of operating an internal combustion engine, in a first mode of operation, a compressor is driven to deliver charge gas toward the intake side of the engine. It is driven in a second mode of operation in such a way that the compressor removes gas, in particular charge gas, from the suction-side inlet of the engine. A motor, in particular an electric motor, may preferably be drivingly coupled to the compressor and a turbine and the engine drives the turbine such that the resulting direction of rotation is inverse to the direction of rotation resulting in the exhaust driven turbine without said motor coupling would. Thus, a relatively high proportion of the (electric) drive energy is dissipated, which leads to a faster heating of the internal combustion engine at the turbine outlet to the minimum temperature of a catalyst.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors in einer ersten Betriebsweise,
  • 2 eine schematische Darstellung des Verbrennungsmotors gemäß 1 in einer zweiten Betriebsweise,
  • 3 den Verbrennungsmotor in einer dritten Betriebsweise,
  • 4 ein Diagramm für den Massenstrom an der Turbine des Abgasturboladers im Vergleich der ersten und zweiten Betriebsweise,
  • 5 ein Temperaturzeitverlaufsdiagramm zum Vergleich der Ausführungsformen der ersten und zweiten Betriebsweise und
  • 6 und 7 vektorielle Darstellungen des Abgases in Bezug auf Schaufeln der Turbine in der ersten und zweiten Betriebsweise.
The invention will be described by way of example with reference to a preferred embodiment. Show it:
  • 1 a schematic representation of an internal combustion engine in a first mode of operation,
  • 2 a schematic representation of the internal combustion engine according to 1 in a second mode of operation,
  • 3 the internal combustion engine in a third mode of operation,
  • 4 a diagram for the mass flow at the turbine of the exhaust gas turbocharger compared to the first and second modes of operation,
  • 5 a temperature time course diagram for comparing the embodiments of the first and second modes and
  • 6 and 7 Vectorial representations of the exhaust gas with respect to blades of the turbine in the first and second modes of operation.

1 zeigt einen Motor 1 mit einem Zylinder bzw. Zylinderblock 20 in Verbindung mit einem Teil des Frischluftversorgungssystems und einem Teil eines Abgassystems. Der unten links gezeigte Pfeil steht für Frischluft bzw. Ladegas, die oder das dem Motor 1 und insbesondere der Eingangsseite 12 eines Verdichters 10 zugeführt wird. Dieses Ladegas wird im Verdichter 10 verdichtet, wobei es sich naturgemäß erwärmt. Um in jedem Zyklus möglichst viel Ladegas in die Zylinder einbringen zu können, wird es abgekühlt, was in der Kühlung 50 durchgeführt wird. Das so abgekühlte Ladegas, das nun eine höhere Dichte aufweist, wird in einen Bereich geleitet, der nachfolgend als Ladegasbereich 22 bezeichnet wird. Von diesem Ladegasbereich 22 wird das Ladegas auf die einzelnen Zylinder 20 verteilt. Optional kann ein Ventil in diesen Bereich eingebracht werden, um so die Menge des Ladegases, das den Zylindern 20 bereitgestellt wird, zu steuern oder zu regeln. Nach der erfolgten Verbrennung wird das Gas, das nunmehr als Verbrennungsgas bezeichnet wird, aus dem Motor 1 ausgegeben und einer Turbine 15 eines Abgasturboladers zugeführt. Dort enthaltene Turbinenschaufeln 16 werden von dem Verbrennungsgas umströmt und bewirken eine Drehung des Abgasturboladers, so dass dieser das Ladegas (wie bereits beschrieben) komprimieren kann. Bei dieser Betriebsweise des Motors 1 kommen ein Bypass 30, ein Abgasbypass 40 und ein Kühlbypass 55 für die Kühlung 50 nicht zum Einsatz, wie dies durch die unterbrochen bzw. dünner gezeichneten Verbindungslinien zum Ausdruck kommt. Die in 1 gezeigte Ausführungsform entspricht dem allgemein bekannten Prinzip eines Abgasturboladers und beschreibt somit noch nicht die Erfindung. Bei den bekannten Ausführungsformen kann optional ein Motor 60 zum Einsatz kommen, der die Drehung des Verdichters 10 unterstützt. Diese Unterstützung kommt beispielsweise bei einer Transienz zum Einsatz, wie z.B. bei der Beschleunigung des Abgasturboladers bei Veränderung der Sollgeschwindigkeit und/oder insbesondere Veränderung des Ladedruckbedarfs oder bei einer Rekuperation, also der Verwendung des Motors 60 als Generator, um so elektrische Energie für diverse Einsatzaufgaben zu gewinnen. 1 shows a motor 1 with a cylinder or cylinder block 20 in connection with a part of the fresh air supply system and part of an exhaust system. The arrow shown at the bottom left represents fresh air or charging gas, or the engine 1 and in particular the input side 12 a compressor 10 is supplied. This charge gas is in the compressor 10 it is naturally heated. In order to bring as much charge gas into the cylinder in each cycle, it is cooled, which is in the cooling 50 is carried out. The thus cooled charge gas, which now has a higher density, is conducted into an area which is referred to below as Ladegasbereich 22 referred to as. From this Ladegasbereich 22 The charge gas is applied to the individual cylinders 20 distributed. Optionally, a valve may be introduced into this area so as to reduce the amount of charge gas applied to the cylinders 20 is provided, controlled or regulated. After the combustion, the gas, which is now referred to as combustion gas, from the engine 1 issued and a turbine 15 fed to an exhaust gas turbocharger. There contained turbine blades 16 are flowed around by the combustion gas and cause a rotation of the exhaust gas turbocharger so that it can compress the charge gas (as already described). In this mode of operation of the engine 1 come a bypass 30 , an exhaust bypass 40 and a cooling bypass 55 for cooling 50 not used, as expressed by the interrupted or thinner drawn connecting lines. In the 1 embodiment shown corresponds to the well-known principle of an exhaust gas turbocharger and thus does not yet describe the invention. In the known embodiments may optionally be a motor 60 are used, the rotation of the compressor 10 supported. This support is used, for example, in a transience, such as in the acceleration of the exhaust gas turbocharger when changing the target speed and / or in particular change the boost pressure demand or recuperation, so the use of the engine 60 as a generator to gain electrical energy for various tasks.

Die Erfindung wird hingegen anhand der 2 ersichtlich. Dort wird der Abgasturbolader in der Drehrichtung angetrieben, die der üblichen bzw. positiven Drehrichtung, die in Bezug zu 1 erläutert wurde, entgegengesetzt ist. Dieser Antrieb geschieht bevorzugt durch den Motor 60, der den Verdichter 10 antreibt. Die Schaufeln des Verdichters 10 sind insbesondere so geformt, dass sie bei einem entgegengesetzten Antrieb eine Fluidförderung in der entgegengesetzten Richtung bewirken.The invention, however, is based on the 2 seen. There, the exhaust gas turbocharger is driven in the direction of rotation, the usual or positive direction of rotation in relation to 1 has been explained, is opposite. This drive is preferably done by the engine 60 that the compressor 10 drives. The blades of the compressor 10 In particular, they are shaped to effect fluid delivery in the opposite direction when the drive is opposite.

Die Schaufelgeometrie ist insbesondere weiterhin auf die positive Drehrichtung zu optimieren. Eine Umkehr der Strömungsrichtung (mit geringem Durchsatz) ist eine mögliche Konsequenz beim Wechsel des Drehsinns. Das ist i.d.R. nicht direkt hilfreich für die Betriebsstrategie des Kat-Heizens, verdeutlicht aber, warum der Bypass absolut erforderlich für den Motorbetrieb ist.In particular, the blade geometry should continue to be optimized for the positive direction of rotation. A reversal of the flow direction (with low throughput) is a possible consequence when changing the direction of rotation. This is i.d.R. not directly helpful for the catalytic converter's operating strategy, but illustrates why the bypass is absolutely necessary for engine operation.

Folglich ist in 2 mit dem entsprechenden Pfeil ein Fluidstrom gezeigt, der von dem Ladegasbereich 22 und/oder dem Bereich vor dem Eingang in den Motor in Richtung zu dem Verdichter 10 gerichtet ist. Aus zwei Gründen, nämlich aufgrund der Ansaugleistung in den Motor, wie auch durch die beschriebene Förderung durch den Verdichter 10 aus dem Ladegasbereich 22 entsteht im Ladegasbereich 22 ein gewisser Unterdruck, der insbesondere bewirkt, dass durch einen gezeigten Bypass 30 Gas in den Ladegasbereich 22 strömt. Der Bypass 30 überbrückt insbesondere den Verdichter 10. Anders ausgedrückt: Es wird ein Förderkreis gebildet, der den Verdichter 10 und den Bypass 30 umfasst, und in den insbesondere Frischgas eingespeist und beim Motor ausgeleitet wird. Wenn optional bspw. ein Kühler 50 vorgesehen ist, so kann der Bypass 30 so angeordnet sein, dass er insbesondere auch diesen Kühler 50 überbrückt. So strömt sowohl von außen kommende Frischluft, wie auch die im Verdichter entgegen der üblichen Förderrichtung (wie in Bezug auf 1 erläutert) geförderte Luft in den Bypass 30. Insbesondere ein Bypassventil 34 und/oder Durchflussregler bestimmt oder regelt die Durchflussmenge. Die Fließrichtung ist im Bypass 30 vom Verdichter 10 in Richtung zm Ladegasbereich 22.Consequently, in 2 with the corresponding arrow, a fluid flow shown by the Ladegasbereich 22 and / or the area in front of the entrance to the engine towards the compressor 10 is directed. For two reasons, namely the intake power in the engine, as well as by the described promotion by the compressor 10 from the loading gas area 22 arises in Ladegasbereich 22 a certain negative pressure, which in particular causes by a bypass shown 30 Gas in the loading gas area 22 flows. The bypass 30 bridges in particular the compressor 10 , In other words, a conveyor is formed, which is the compressor 10 and the bypass 30 includes, and in the particular fresh gas is fed and discharged from the engine. If optional, for example, a cooler 50 is provided, so can the bypass 30 be arranged so that in particular he also this cooler 50 bridged. Thus both fresh air coming from the outside, as well as those in the compressor against the usual conveying direction (as in relation to 1 explains) conveyed air into the bypass 30 , In particular, a bypass valve 34 and / or flow regulator determines or regulates the flow rate. The flow direction is in the bypass 30 from the compressor 10 in the direction of the cargo gas area 22 ,

Der so beschriebene motorgetriebene Abgasturbolader (eTC) ermöglicht eine signifikante Steigerung des Lastanstiegs bei transientem Motorbetrieb (Lastsprung). Der Fluss durch den Bypass 30 ermöglicht eine Anhebung der Teillastdrehzahl, welche in Folge der Kreisförderung der Luft einen Betrieb des Verdichters unterhalb der Pumpgrenze verhindert. Die Vorteile ergeben sich vor allem in der Kaltstartphase, insbesondere bei einem Ottomotor, in der ein schnelles Aufheizen des Katalysators unter Bereitstellung eines möglichst großen Abgasenthalpiestroms angestrebt wird. Dabei kann beispielsweise oder insbesondere der Zündwinkel bis an die Grenze der Verbrennungsstabilität nach „spät“ verstellt werden, da so eine weniger effektive Verbrennung, bzw. Drehmomenterzeugung erreicht wird, was die dissipierte Energie erhöht und ebenso die Abgastemperatur erhöht, was zu einem schnelleren Erreichen der Betriebstemperatur des Katalysators führt.The motor-driven exhaust gas turbocharger (eTC) described in this way enables a significant increase in load increase during transient engine operation (load step). The river through the bypass 30 allows an increase in the partial load speed, which prevents operation of the compressor below the surge line as a result of the circulation of the air. The advantages arise especially in the cold start phase, especially in a gasoline engine, in which a rapid heating of the catalyst is aimed at providing the largest possible Abgasenthalpiestroms. In this case, for example, or in particular the ignition angle can be adjusted to the limit of combustion stability after "late", as a less effective combustion, or torque generation is achieved, which increases the dissipated energy and also increases the exhaust gas temperature, resulting in faster achievement of the Operating temperature of the catalyst leads.

In dieser Betriebsweise kann bspw. ein Abgasbypass 40 geschlossen sein. Der Abgasbypass 40 überbrückt die Turbinenseite 15 des Abgasturboladers also nicht, wie dies in 2 durch die lediglich dünn gezeigte Line angedeutet ist, was bedeutet, dass hier kein Abgasfluss stattfindet. Prinzipiell sind die Turbinenschaufeln 16 (siehe 6 und 7) so ausgerichtet, dass sie den Abgasturbolader in die erste bzw. Hauptdrehrichtung (erläutert in Bezug auf 1) antreiben wollen und/oder sollen. Der Motor 60 ist aber ausreichend leistungsstark, dass er seine Antriebsrichtung dem Abgasturbolader aufzwingen kann. Zur Erläuterung dieses Zusammenhangs zeigen 6 und 7 die jeweiligen Bewegungsvektoren des Abgasflusses durch die Turbine im Fall der ersten Betriebsweise und der zweiten Betriebsweise. Die Drehrichtung einer nachfolgend zu erläuternden dritten Betriebsweise entspricht in Bezug auf die Drehrichtung der ersten Betriebsweise, so dass sie sich entsprechend auch aus diesem Diagramm ergibt. 6 zeigt dabei die erste bzw. normale Drehrichtung und in 7 ist die entgegengesetzte Richtung gezeigt. Dies ist anhand des Vektors u ersichtlich, der für die Rotationsrichtung der Turbine steht und in den Figuren eine entgegengesetzte Richtung aufweist. In vektorieller Addition dieses Vektors u mit dem Bewegungsvektor der relativen Richtung w, der sich aufgrund der Anström- und Umströmbedingungen der Schaufeln ergibt, ergibt summarisch sich der Ergebnisvektor c. Dieser Vektor c ist in den Figuren in beiden Fällen nach rechts gezeigt, was bedeutet, dass das Verbrennungsgas in beiden Fällen über die Turbine 15 aus dem Motor bzw. der Brennkammer 20 gefördert werden kann.In this mode of operation, for example, an exhaust gas bypass 40 be closed. The exhaust bypass 40 bridges the turbine side 15 the exhaust gas turbocharger so not, as in 2 is indicated by the line shown only thin, which means that no exhaust flow takes place here. In principle, the turbine blades 16 (please refer 6 and 7 ) are aligned so that they the exhaust gas turbocharger in the first or main direction of rotation (explained with reference to 1 ) want to drive and / or should. The motor 60 but is sufficiently powerful that he can impose his drive direction the exhaust gas turbocharger. To illustrate this relationship 6 and 7 the respective motion vectors of the exhaust gas flow through the turbine in the case of the first mode of operation and the second mode of operation. The direction of rotation of a third mode of operation to be explained below corresponds with respect to the direction of rotation of the first mode of operation, so that it accordingly results from this diagram. 6 shows the first or normal direction of rotation and in 7 the opposite direction is shown. This can be seen from the vector u, which stands for the direction of rotation of the turbine and has an opposite direction in the figures. In vectorial addition of this vector u with the motion vector of the relative direction w, which results from the inflow and Umströmbedingungen the blades results summarily, the result vector c. This vector c is shown to the right in both cases in the figures, which means that the combustion gas in both cases via the turbine 15 from the engine or the combustion chamber 20 can be promoted.

In der zweiten Betriebsweise gemäß 2 bewirkt das Führen des Verbrennungsgases durch die Turbine 15, dass durch die beschriebene Umlenkung des Verbrennungsgases Energie dissipiert wird. So kann der Motor 60 entsprechend Energie in das System abgeben, was dazu führt, dass der Abgasturbolader sich schnell erwärmt und so das Gesamtsystem schnell auf eine Mindestarbeitstemperatur kommt, so dass auch der Katalysator in seinen Arbeitsbereich kommt. Die Wärmeverluste an die Oberflächen des Abgasturboladers sind unerwünscht, aber nicht zu vermeiden. Insbesondere ist wichtig, dass trotz der Wärmeverluste am Ende eine Anhebung der Turbinenaustrittstemperatur vorliegt, mit der schließlich der Kat schneller aufgeheizt werden kann.In the second mode according to 2 causes the passage of the combustion gas through the turbine 15 in that energy is dissipated by the described deflection of the combustion gas. That's how the engine works 60 according to energy into the system, which causes the exhaust gas turbocharger heats up quickly and so the overall system quickly to a minimum working temperature, so that the catalyst comes into his workspace. The heat losses to the surfaces of the exhaust gas turbocharger are undesirable, but unavoidable. In particular, it is important that in spite of the heat losses at the end of an increase in the turbine outlet temperature is present, with the eventually the cat can be heated up faster.

Vor dem Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators („Light-off“) erfolgt nur eine geringfügige Konvertierung der Schadstoffe und es kommt zu einem Emissionsausstoß. Eine Reduzierung der Dauer der Aufheizphase in Folge eines erhöhten Enthalpieeintrags in den Katalysator führt zu einem schnelleren Ansprechverhalten und ist somit ein wesentlicher Beitrag zur Emissionsreduktion. Bei dieser Arbeitsweise kommt bevorzugt die Kühlung 50 nicht zum Einsatz, wie dies durch den Fluss des Ladegases durch den Kühlbypass 55 gezeigt ist. Anders ausgedrückt: Zur Sicherstellung des erforderlichen Luftmassenstroms in den Brennraum wird dem Saugrohr durch den geöffneten Bypass 30 Luft zugeführt. In der Turbine wird ein Teil der elektrischen Antriebsenergie unter bewusster Nutzung der Dissipation in Wärme umgewandelt, wodurch die Eintrittstemperatur des Abgases am Katalysator angehoben wird.Before reaching the light-off temperature of the catalyst, there is only a slight conversion of the pollutants and there is an emission output. A reduction in the duration of the heating phase as a result of an increased enthalpy entry into the catalyst leads to a faster response and is thus a significant contribution to reducing emissions. In this procedure, the cooling is preferred 50 not used, as evidenced by the flow of the charging gas through the cooling bypass 55 is shown. In other words: To ensure the required air mass flow into the combustion chamber is the intake manifold through the open bypass 30 Supplied with air. In the turbine, part of the electrical drive energy is converted into heat, deliberately using the dissipation, thereby raising the inlet temperature of the exhaust gas at the catalyst.

Die Durchsatzcharakteristik und Prozessführung der Turbine 15 sind in nachfolgenden Diagrammen dargestellt. Der Druck p3 ist der Druck am Eingang der Turbine 15 und der Druck p4 ist der Druck am Ausgang der Turbine. Bei jedem Verhältnis der beiden Drücke ist der Massendurchsatz m(Punkt) bei der normalen, also positiven Drehrichtung höher als bei der umgekehrten, also negativen Drehrichtung. Die Reduzierung des Massendurchsatzes m(Punkt) bei der umgekehrten Drehrichtung liegt bei mindestens 10% und ist bevorzugt kleiner als 40%, wie sich aus 4 ergibt. Im Zeittemperaturdiagramm der 5 ist gezeigt, dass sich durch eine umgekehrte Drehrichtung die Temperatur schneller erhöht. Dieses T-s-Diagramm ist in der Thermodynamik gebräuchlich zur Veranschaulichung der Prozessführung. T ist die Temperatur, s die spez. Entropie (nicht Zeit). Die starke Zunahme der Entropie von 3 nach 4 verdeutlicht den bewusst gewählten, wirkungsgradungünstigen Betrieb der Turbine, durch den eine Wandlung der elektrischen Antriebsenergie in Wärme ermöglicht wird.The throughput characteristics and process control of the turbine 15 are shown in the following diagrams. The pressure p3 is the pressure at the inlet of the turbine 15 and the pressure p4 is the pressure at the outlet of the turbine. At each ratio of the two pressures, the mass flow rate m (dot) is higher in the normal, ie positive, direction of rotation than in the reverse, ie negative, direction of rotation. The reduction of the mass flow rate m (dot) in the reverse direction of rotation is at least 10% and is preferably less than 40%, as is 4 results. In the time-temperature diagram of the 5 It is shown that the temperature increases faster by reversing the direction of rotation. This Ts diagram is commonly used in thermodynamics to illustrate process control. T is the temperature, s the spec. Entropy (not time). The large increase in entropy from 3 to 4 illustrates the deliberately chosen, low-efficiency operation of the turbine, which allows a conversion of the electrical drive energy into heat.

Zudem ist der Motor 1 in einer dritten Betriebsweise betreibbar, wie dies in 3 gezeigt ist. Hier wird der der Abgasturbolader mit einer positiven Drehrichtung betrieben und zudem ist der Bypass 30 geöffnet. Das Ladegas, das durch den Verdichter 10 und ggf. ebenso durch einen optionalen Kühler 50 geführt wurde und so im Ladegasbereich 22 ankommt, wird teilweise durch den Bypass 30 zurück zu der Eingangsseite 12 des Verdichters 10 geleitet und wird von dort erneut in den Verdichter 10 geleitet. Durch die Verwendung des Bypasses 30, der in der zu der zweiten Ausführungsweise entgegengesetzten Fließrichtung durchströmt wird, kann die Antriebsleistung des eTC für eine erhöhte Verdichtung des Ladegases genutzt werden. Der Verdichter 10 alleine könnte ohne den Bypass 30 die Verdichtung nicht erzielen, da dann der Mindestvolumendurchsatz durch den Verdichter 10 nicht sichergestellt wäre, was zu Schäden am Verdichter führen würde. Der Bypass 30 sorgt also für den Volumendurchsatz durch den Verdichter 10, was eine Anhebung der maximalen Verdichtung ermöglicht. Zudem erhöht sich insbesondere bei manchen Anwendungsgebieten der Durchströmdurchsatz durch die Kühlung 50, was zu einer besseren Kühlung und erhöhten Dichte (bei gleichem Druck) führt und so die Leistungswerte der Verbrennung verbessert. Die zweite Betriebsweise kann beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn für einen Motor, der mit seiner üblichen Betriebstemperatur läuft, ein maximales Drehmoment gewünscht wird.In addition, the engine 1 operable in a third mode of operation, as in 3 is shown. Here, the turbocharger is operated with a positive direction of rotation and also is the bypass 30 open. The charge gas that passes through the compressor 10 and possibly also with an optional cooler 50 was led and so in Ladegasbereich 22 arrives partially through the bypass 30 back to the entrance page 12 of the compressor 10 passed and from there again in the compressor 10 directed. By using the bypass 30 , which is flowed through in the direction opposite to the second embodiment flow direction, the drive power of the eTC can be used for increased compression of the charging gas. The compressor 10 alone could without the bypass 30 Do not achieve the compression, because then the minimum volume throughput through the compressor 10 would not be ensured, which would lead to damage to the compressor. The bypass 30 thus ensures the volume throughput through the compressor 10 , which allows an increase in the maximum compression. In addition, in particular in some areas of application, the flow rate through the cooling increases 50 which results in better cooling and increased density (at the same pressure), thus improving combustion performance. The second mode of operation can be used, for example, when a maximum torque is desired for a motor running at its usual operating temperature.

Insbesondere ist vorteilhaft an dem beschriebenen Aufbau des Motors, dass mit einem strukturell unveränderten Motor unterschiedliche Optimierungen durchgeführt werden können. So kann bspw. der Bypass 30 für ein beschleunigtes Erreichen der Betriebstemperatur (dritte Betriebsweise), wie auch für eine allgemeine Verbesserung der Leistungswerte (zweite Betriebsweise) verwendet werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Motor 60, der bereits standardmäßig bei einer Vielzahl von Anwendungen als Teil eines Abgasturboladers zum Einsatz kommt, in einer weiteren Verwendung so eingesetzt werden, dass er „rückwärts“ angetrieben wird, um so eine möglichst große Dissipationsenergiemenge zu erzeugen und bei einem Kaltstart den Motor möglichst schnell auf Arbeitstemperatur zu bringen.In particular, it is advantageous in the described construction of the motor that different optimizations can be carried out with a structurally unchanged motor. For example, the bypass 30 for an accelerated reaching of the operating temperature (third mode of operation) as well as for a general improvement of the performance values (second mode of operation). Alternatively and / or additionally, a motor 60 , which is already used by default in a variety of applications as part of an exhaust gas turbocharger used in another use so that it is driven "backwards" so as to produce the largest possible Dissipationsenergiemenge and at a cold start the engine as quickly as possible To bring working temperature.

Vorstehend wurde eine Ausführungsform beschrieben, in der der Verdichter 10 Teil eines Abgasturboladers ist, also unmittelbar mit einer Turbine 15 verbunden ist. Stattdessen kann auch ein Verdichter zum Einsatz kommen, der ohne eine rotative Kopplung mit einer Turbine 15 versehen ist, sondern für den ein motorischer Antrieb vorgesehen ist, wie z.B. ein Elektromotor.In the above, an embodiment has been described in which the compressor 10 Part of an exhaust gas turbocharger, ie directly with a turbine 15 connected is. Instead, a compressor can be used, without a rotative coupling with a turbine 15 is provided, but for which a motor drive is provided, such as an electric motor.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1010
Verdichtercompressor
1212
VerdichtereingangseiteCompressor inlet side
1515
Turbineturbine
1616
Turbinenschaufelnturbine blades
2020
Brennkammer / ZylinderCombustion chamber / cylinder
2222
LadegasbereichCharging gas sector
3030
Bypassbypass
3434
Bypassventilbypass valve
4040
Abgasbypassexhaust bypass
4444
AbgasbypassventilExhaust bypass valve
5050
Kühlungcooling
5555
Kühlbypasscooling bypass
6060
Motor, insbesondere ElektromotorEngine, in particular electric motor

Claims (9)

Verbrennungsmotor (1) mit einem Frischluftstrang zur Versorgung zumindest einer Brennkammer (20) des Motors (1) mit Ladegas und mit einem Verdichter (10), der eingerichtet ist, in einer ersten Betriebsweise mit einer ersten Förderrichtung Ladegas in einen Ladegasbereich (22) zu fördern, der der Brennkammer (20) vorgelagert ist, und der Verdichter (10) eingerichtet ist, in einer zweiten Betriebsweise mit einer der ersten Förderrichtung entgegengesetzten Förderrichtung Ladegas aus dem Ladegasbereich (22) zu fördern, so dass es über einen Bypass (30) wieder in den Ladegasbereich (22) zurückströmen kann.Internal combustion engine (1) with a fresh air line for supplying at least one combustion chamber (20) of the engine (1) with charging gas and with a compressor (10) arranged to convey charge gas into a charge gas region (22) upstream of the combustion chamber (20) and the compressor (10) in a second mode of operation in a first mode with a first direction of delivery Charging gas is to be conveyed from the charging gas region (22) with a conveying direction opposite to the first conveying direction, so that it can flow back into the charging gas region (22) via a bypass (30). Verbrennungsmotor (1) gemäß Anspruch 1, wobei der Motor (1) eingerichtet ist, den Verdichter (10) einer dritten Betriebsweise zu betreiben und ein Bypass, insbesondere der Bypass (30) der zweiten Betriebsweise, eingerichtet ist, Ladegas aus dem Ladegasbereich (22) in einen Bereich vor dem Eingang (12) des Verdichters (10) zu fördern, wobei insbesondere die Drehrichtung des Verdichters (10) in der dritten Betriebsweise der Drehrichtung der ersten Betriebsweise entspricht.Internal combustion engine (1) according to Claim 1 wherein the engine (1) is arranged to operate the compressor (10) of a third mode of operation and a bypass, in particular the bypass (30) of the second mode of operation is arranged, charging gas from the charging gas area (22) into an area in front of the entrance (12) of the compressor (10), wherein in particular the direction of rotation of the compressor (10) in the third mode of operation corresponds to the direction of rotation of the first mode of operation. Verbrennungsmotor (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (10) Teil eines Abgasturboladers (10, 15) ist.Internal combustion engine (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the compressor (10) is part of an exhaust gas turbocharger (10, 15). Verbrennungsmotor (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasturbolader (10, 15) einen motorischen Antrieb (60) umfasst, der insbesondere als ein elektrischer Motor ausgestaltet ist.Internal combustion engine (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas turbocharger (10, 15) comprises a motor drive (60), which is designed in particular as an electric motor. Verbrennungsmotor (1) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abgasturbolader (10, 15) abgasseitig ein Abgasbypass (40) vorgesehen ist, der schalt- und/oder regelbar eingerichtet ist, eine Turbine (15) des Abgasturboladers (10, 15) zu überbrücken und der Verbrennungsmotor (1) in der zweiten Betriebsweise so eingerichtet ist, dass kein Abgasfluss über den Abgasbypass (40) stattfindet.Internal combustion engine (1) according to one of Claims 3 or 4 , characterized in that for the exhaust gas turbocharger (10, 15) on the exhaust side an exhaust gas bypass (40) is provided, which is switchable and / or adjustable, a turbine (15) of the exhaust gas turbocharger (10, 15) to bridge and the internal combustion engine ( 1) in the second mode of operation is arranged so that no exhaust gas flow via the exhaust gas bypass (40) takes place. Verbrennungsmotor (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abgasturbolader (10, 15) abgasseitig ein Abgasbypass (40) vorgesehen ist, der schalt- und/oder regelbar eingerichtet ist, eine Turbine (15) des Abgasturboladers (10, 15) zu überbrücken und der Verbrennungsmotor (1) in der ersten Betriebsweise so eingerichtet ist, dass kein Abgasfluss über den Abgasbypass (40) stattfindet.Internal combustion engine (1) according to one of Claims 3 to 5 , characterized in that for the exhaust gas turbocharger (10, 15) on the exhaust side an exhaust gas bypass (40) is provided, which is switchable and / or adjustable, a turbine (15) of the exhaust gas turbocharger (10, 15) to bridge and the internal combustion engine ( 1) in the first mode of operation is arranged so that no exhaust gas flow via the exhaust gas bypass (40) takes place. Verbrennungsmotor (1) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Abgasturbolader (10, 15) abgasseitig ein Abgasbypass (40) vorgesehen ist, der schalt- und/oder regelbar eingerichtet ist, eine Turbine (15) des Abgasturboladers (10, 15) zu überbrücken und der Verbrennungsmotor (1) in der dritten Betriebsweise so eingerichtet ist, dass der Abgasbypass (40) als Bypass für den Abgasturbolader (10, 15) dient.Internal combustion engine (1) according to one of Claims 3 to 6 , characterized in that for the exhaust gas turbocharger (10, 15) on the exhaust side an exhaust gas bypass (40) is provided, which is switchable and / or adjustable, a turbine (15) of the exhaust gas turbocharger (10, 15) to bridge and the internal combustion engine ( 1) in the third operating mode is set up so that the exhaust gas bypass (40) serves as a bypass for the exhaust gas turbocharger (10, 15). Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors (1), bei dem ein Verdichter (10) in einer ersten Betriebsweise so angetrieben wird, dass er Ladegas in Richtung zum saugseitigen Eingang des Motors (1) fördert und in einer zweiten Betriebsweise so angetrieben wird, dass der Verdichter (10) Gas von dem saugseitigen Eingang des Motors (1) wegfördert.A method of operating an internal combustion engine (1) in which a compressor (10) is driven in a first mode to deliver charge gas toward the intake side of the engine (1) and in a second mode to drive the compressor (10) Promotes gas from the suction-side entrance of the engine (1) away. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motor (60), insbesondere ein Elektromotor, mit dem Verdichter (10) und einer Turbine (15) antreibend gekoppelt ist und der Motor (60) die Turbine (15) insbesondere in der zweiten Betriebsweise so antreibt, dass die sich ergebende Rotationsrichtung umgekehrt zu der Rotationsrichtung ist, die sich bei der abgasbetriebenen Turbine (15) ohne die genannte motorische Kopplung ergeben würde.Method according to Claim 8 , characterized in that a motor (60), in particular an electric motor, is drivingly coupled to the compressor (10) and a turbine (15) and the motor (60) drives the turbine (15) in particular in the second mode of operation the resulting direction of rotation is inverse to the direction of rotation that would result in the exhaust gas driven turbine (15) without said motor coupling.
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