DE102018207843A1 - Method for operating an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Verdichterrad und/oder Turbinenrad von einer elektrischen Maschine antreibbar ist,gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:- Bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine Betreiben der elektrischen Maschine als ein Generator.Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann ein Schubumluftventil eingespart werden.Method for operating an internal combustion engine having an exhaust gas turbocharger whose compressor wheel and / or turbine wheel can be driven by an electric machine, characterized by the following method step: - In a load shedding of the internal combustion engine operating the electric machine as a generator. With the embodiment according to the invention, a diverter valve can be saved ,

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger having the features of the preamble of patent claim 1.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 18 317 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines elektrisch unterstützten Turboladers bekannt. Auf einer Verbindungswelle zwischen der Abgasturbine und einem Kreiselverdichter ist der Rotor eines 12-pulsigen Asynchronmotors angeordnet. Mithilfe des Elektromotors kann der Verdichter unabhängig von dem jeweiligen Anfall an Abgas auf eine entsprechende Drehzahl gebracht werden, so dass in Abhängigkeit von beliebigen Betriebsparametern ein gewünschter Ladedruck eingestellt werden kann.From the German publication DE 195 18 317 A1 For example, a method of operating an electrically assisted turbocharger is known. The rotor of a 12-pulse asynchronous motor is arranged on a connecting shaft between the exhaust gas turbine and a centrifugal compressor. By means of the electric motor, the compressor can be brought to a corresponding speed independently of the respective attack of exhaust gas, so that depending on any operating parameters, a desired charge pressure can be set.

Weiter ist aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 199 38 624 A1 ein Abgasturbolader mit einer Abgasturbine bekannt, die über eine Turbinenwelle triebmäßig mit einem Kreiselverdichter verbunden ist. Auf der Turbinenwelle ist ein Elektromotor angeordnet, dessen Rotor triebmäßig mit dem Kreiselverdichter verbunden ist, wobei der Elektromotor ein Reluktanzmotor ist. Weiter ist die Turbinenwelle triebmäßig mit dem Rotor über eine Überholkupplung koppelbar.Next is from the German patent application DE 199 38 624 A1 an exhaust gas turbocharger with an exhaust gas turbine known which is connected via a turbine shaft drivingly connected to a centrifugal compressor. On the turbine shaft, an electric motor is arranged, whose rotor is drivingly connected to the centrifugal compressor, wherein the electric motor is a reluctance motor. Further, the turbine shaft is drivably coupled to the rotor via an overrunning clutch.

Weiter sind aus der Deutschen Offenlegungsschrift DE 36 18 449 A1 eine Vorrichtung und eine Schaltung zum Ausgleich der unzureichenden Antriebskraft im unteren Drehzahlbereich von Abgasturbinen zur Ladeluftverdichtung bei Verbrennungsmotoren bekannt. Hierbei ist die Turbine mit einem elektrischen Hilfsantrieb gekoppelt, der auf Anforderung im unteren Drehzahlbereich die Turbine unterstützt, bis zum Erreichen der kritischen Drehzahl.Next are from the German disclosure DE 36 18 449 A1 a device and a circuit for compensating the insufficient driving force in the lower speed range of exhaust gas turbines for charge air compression in internal combustion engines. Here, the turbine is coupled with an electric auxiliary drive, which supports the turbine on request in the lower speed range, until reaching the critical speed.

Nachteilig an all diesen bekannten Abgasturboladern ist bei einem Lastabwurf, d. h. wenn spontan eine Gaswegnahme stattfindet, dass der Verdichter seine Pumpgrenze erreicht.A disadvantage of all these known exhaust gas turbochargers is in a load shedding, d. H. if a gas take-off takes place spontaneously, that the compressor reaches its surge limit.

Damit der Verdichter eines Abgasturboladers nicht die Pumpgrenze erreicht, wird in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 104 50 014 A1 eine Ansaugvorrichtung für eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen mit einem Abgasturbolader mit einer Verdichtungseinrichtung. Es ist eine um die Verdichtungseinrichtung herumführende Bypassleitung vorgesehen, in welcher ein Ventil, ein sog. Schubumluftventil, zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung angeordnet ist. Weiter ist aus Akustikgründen in der Bypassleitung und/oder in dem Ventil ein Akustikelement angeordnet.So that the compressor of an exhaust gas turbocharger does not reach the surge limit, is in the German Offenlegungsschrift DE 104 50 014 A1 an intake device for an internal combustion engine proposed with an exhaust gas turbocharger with a compression device. A bypass line which leads around the compression device is provided in which a valve, a so-called thrust-return air valve, is arranged for opening and closing the bypass line. Furthermore, an acoustic element is arranged in the bypass line and / or in the valve for acoustic reasons.

Nachteilig an dieser Lösung sind jedoch, der erhöhte Bauteilaufwand für die Bypassleitung und das Schubumluftventil und die dafür anzusetzenden Bauteil- und Montagekosten.A disadvantage of this solution, however, are the increased component costs for the bypass line and the diverter valve and to be applied for this component and installation costs.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Maßnahme aufzuzeigen, um die oben genannten Nachteile zu vermeiden.Object of the present invention is to show a measure to avoid the above-mentioned disadvantages.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the method according to claim 1.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt bei einem Lastabwurf, einer spontanen Gaswegnahme, ein Abbremsen des Verdichterrades durch die E-Maschine, sodass der Verdichter in vorteilhafter Weise abgebremst wird und nicht die Pumpgrenze erreicht. Somit kann auf einen Verdichterbypass und ein, beispielsweise in diesem angeordnetes Schubumluftventil verzichtet werden. Dies spart Herstell- und Montagekosten. Gleichzeitig dient dieses Verfahren in vorteilhafter Weise zusätzlich der elektrischen Energiegewinnung.By the method according to the invention takes place at a load shedding, a spontaneous Gaswegnahme, a deceleration of the compressor wheel by the electric motor, so that the compressor is braked in an advantageous manner and does not reach the surge limit. Thus it can be dispensed with a compressor bypass and, for example, arranged in this diverter valve. This saves manufacturing and assembly costs. At the same time, this method additionally advantageously serves to generate electrical energy.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert.

  • 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Abgasturbolader.
  • 2 zeigt ein typisches Verdichtungskennfeld für einen Abgasturbolader.
In the following the invention is explained in more detail with reference to two figures.
  • 1 shows a schematic section through an exhaust gas turbocharger.
  • 2 shows a typical compression map for an exhaust gas turbocharger.

1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Abgasturbolader 1, der für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar ist. Der Abgasturbolader 1 ist für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen. Ein Verdichterrad mit einer nicht separat bezifferten Welle ist mit 2 beziffert. Gegenüberliegend des Verdichterrades 2 ist ein Turbinenrad 3 mit einer ebenfalls nicht separat bezifferten Welle angeordnet. Die Welle des Verdichterrades 2 und die Welle des Turbinenrades 3 sind koaxial zueinander angeordnet. Zwischen beiden befindet sich ein Freilauf 5, mit dem die Welle des Verdichterrades 2 und die Welle des Turbinenrades 3 koppelbar sind. Die Wellen sind jeweils beidseitig einer elektrischen Maschine in einer Lagerung 4 gelagert. Die elektrische Maschine besteht aus einem Läufer 6, der drehfest mit der Welle des Verdichterrades 2 gekoppelt ist. Radial außen um den Läufer ist ein Stator 7 der elektrischen Maschine angeordnet. 1 shows a schematic section through an exhaust gas turbocharger 1 which can be used for the method according to the invention. The turbocharger 1 is intended for an internal combustion engine, not shown, in particular for a motor vehicle. A compressor wheel with a not separately numbered shaft is with 2 quantified. Opposite the compressor wheel 2 is a turbine wheel 3 arranged with a likewise not separately numbered shaft. The shaft of the compressor wheel 2 and the shaft of the turbine wheel 3 are arranged coaxially with each other. Between both is a freewheel 5 with which the shaft of the compressor wheel 2 and the shaft of the turbine wheel 3 can be coupled. The waves are each on both sides of an electric machine in a storage 4 stored. The electric machine consists of a rotor 6 , which rotates with the shaft of the compressor wheel 2 is coupled. Radially outward around the runner is a stator 7 arranged the electric machine.

Auch wenn es sich bei diesem beispielhaften Abgasturbolader 1 um einen Abgasturbolader 1 mit einem Freilauf 5 handelt, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren für jeden Abgasturbolader 1 mit einer elektrischen Maschine, mit der das Verdichterrad 2 antreibbar oder abbremsbar ist.Even if it is in this exemplary exhaust gas turbocharger 1 around an exhaust gas turbocharger 1 with a freewheel 5 act, the inventive method is suitable for each exhaust gas turbocharger 1 with an electric machine, with the compressor wheel 2 can be driven or braked.

2 zeigt ein typisches Verdichtungskennfeld für einen Abgasturbolader 1. Das Betriebsverhalten von Verdichtern von Abgasturboladern 1 wird meist durch Kennfelder, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel, beschrieben. 2 shows a typical compression map for an exhaust gas turbocharger 1 , The Operating behavior of compressors of exhaust gas turbochargers 1 is usually described by maps, as in the present embodiment.

Es ist wie üblich das Druckverhältnis über einer Y-Achse dargestellt. Über einer X-Achse ist ein durch den Verdichter durchgesetzter Volumenstrom [m3/h], bzw. im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Massenstrom [kg/s] dargestellt. Das Druckverhältnis ist durch gestrichelte Linien in dem Verdichtungskennfeld dargestellt. Der tatsächlich nutzbare Kennfeldbereich von Verdichtern von Abgasturboladern 1 ist einerseits durch eine Pumpgrenze 8, gestrichelt dargestellt und andererseits durch eine Stopfgrenze 9, ebenfalls gestrichelt dargestellt, sowie einer maximal zulässigen Drehzahl 10 des Verdichterrades 2, durch eine durchgezogene Linie dargestellt, begrenzt.As usual, the pressure ratio is shown above a Y-axis. An volumetric flow through the compressor [m 3 / h], or in the present exemplary embodiment a mass flow [kg / s], is shown above an X-axis. The pressure ratio is represented by dashed lines in the compression map. The actually usable map range of compressors of exhaust gas turbochargers 1 is on the one hand by a surge line 8th , shown in dashed lines and on the other hand by a Stopfgrenze 9 , also shown in dashed lines, and a maximum permissible speed 10 of the compressor wheel 2 , shown by a solid line, limited.

Hierbei begrenzt die Pumpgrenze 8 den linken Kennfeldrand. Bei zu kleinen Massenströmen oder Volumenströmen der Verbrennungsluft und zu hohen Druckverhältnissen löst sich die Strömung von dem Verdichterrad 2. Die Förderung der Verbrennungsluft wird durch diese Ablösung unterbrochen. Die Verbrennungsluft strömt anschließend rückwärts durch den Verdichter, bis sich wieder ein stabiles Druckverhältnis mit positivem Massen- oder Volumenstrom, d. h. in Richtung einer Brennkraftmaschine einstellt. Danach baut sich der Druck wieder erneut auf. Dieser Vorgang wiederholt sich mit hoher Frequenz, wodurch ein typisches Pumpgeräusch entsteht. Aus diesem Geräusch leitet sich auch die Bezeichnung „Pumpen“ ab. Um dieses „Pumpen“ zu eliminieren, wird üblicherweise ein Schubumluftventil verbaut, welches einen Bypass um das Verdichterrad 2 freigibt.This limits the surge limit 8th the left map border. If the mass flows or volume flows of the combustion air are too low and the pressure conditions are too high, the flow will detach from the compressor wheel 2 , The promotion of combustion air is interrupted by this replacement. The combustion air then flows backwards through the compressor until again a stable pressure ratio with a positive mass or volume flow, ie in the direction of an internal combustion engine, is established. Then the pressure builds up again. This process is repeated at high frequency, creating a typical pumping noise. From this noise, the term "pumps" is derived. To eliminate this "pumping", usually a diverter valve is installed, which bypasses the compressor wheel 2 releases.

Auf der anderen Seite des Kennfeldes findet sich die sog. Stopfgrenze 9. Als Stopfgrenze 9 wird hierbei das Erreichen des maximalen Massenstroms oder Volumenstroms der Verbrennungsluft durch den Verdichter bezeichnet. Begrenzt durch den Strömungsquerschnitt im Verdichtereintritt und dem Erreichen der Schallgeschwindigkeit im Verdichterradeintritt, wird ein weiteres Anwachsen des Durchsatzes an Verbrennungsluft plötzlich gestoppt. Die stark abfallenden Drehzahllinien (durchgezogene Linien) am rechten Kennfeldrand zeigen die Stopfgrenze 9 im Verdichtungskennfeld.On the other side of the map is the so-called stuffing limit 9 , As a stuffing limit 9 In this case, the achievement of the maximum mass flow or volume flow of the combustion air is designated by the compressor. Limited by the flow cross-section in the compressor inlet and the achievement of the speed of sound in Verdichterradeintritt, a further increase in the flow rate of combustion air is stopped suddenly. The steeply falling speed lines (solid lines) on the right side of the map show the stuffing limit 9 in the compression map.

In 2 ist beispielhaft bei nicht maximaler Drehzahl des Verdichterrades 2, bei einem Druckverhältnis von ca. 0,77 ein Lastenabwurf symbolisch mit einem Pfeil nach links dargestellt. Bei einer spontanen Gaswegnahme der Brennkraftmaschine dreht sich das Verdichterrad 2, wie oben beschrieben, mit einer erhöhten Drehzahl weiter, bis der Verdichter an der Pumpgrenze 8 angekommen ist.In 2 is exemplary at non-maximum speed of the compressor wheel 2 , at a pressure ratio of about 0.77, a load dump symbolically shown with an arrow to the left. In a spontaneous gas removal of the internal combustion engine, the compressor wheel rotates 2 as described above, at an increased speed until the compressor is at the surge line 8th has arrived.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, dass bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine die elektrische Maschine als ein Generator betrieben wird, wird das Verdichterrad 2 stark abgebremst, was mit einer Drehzahlreduzierung 11, durch einen Pfeil nach links unten dargestellt ist. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren wird der Verdichter durch aktives Abbremsen des Verdichterrades 2 gehindert, an die Pumpgrenze 8 heranzufahren. Somit kann in vorteilhafter Weise ein Schubumluftventil vermieden werden, wodurch die Herstellkosten gesenkt werden und zusätzliche elektrische Energie gewonnen wird.By the method according to the invention, that the electric machine is operated as a generator in a load shedding of the internal combustion engine, the compressor wheel 2 strongly braked, which with a speed reduction 11 , represented by an arrow pointing down to the left. By this method according to the invention, the compressor by actively braking the compressor wheel 2 hindered, to the surge line 8th : approaching. Thus, a diverter valve can be avoided in an advantageous manner, whereby the manufacturing costs are reduced and additional electrical energy is obtained.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1.1.
Abgasturboladerturbocharger
2.Second
Verdichterrad mit WelleCompressor wheel with shaft
3.Third
Turbinenrad mit WelleTurbine wheel with shaft
4.4th
Lagerungstorage
5.5th
Freilauffreewheel
6.6th
Läuferrunner
7.7th
Statorstator
8.8th.
Pumpgrenzesurge line
9.9th
Stopfgrenzechoke
10.10th
max. DrehzahlMax. rotation speed
11.11th
DrehzahlreduzierungSpeed reduction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19518317 A1 [0002]DE 19518317 A1 [0002]
  • DE 19938624 A1 [0003]DE 19938624 A1 [0003]
  • DE 3618449 A1 [0004]DE 3618449 A1 [0004]
  • DE 10450014 A1 [0006]DE 10450014 A1 [0006]

Claims (1)

Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, dessen Verdichterrad und/oder Turbinenrad von einer elektrischen Maschine antreibbar ist, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt: - Bei einem Lastabwurf der Brennkraftmaschine Betreiben der elektrischen Maschine als ein Generator.Method for operating an internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger whose compressor wheel and / or turbine wheel can be driven by an electric machine, characterized by the following method step: - In a load shedding of the internal combustion engine operating the electric machine as a generator.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP3199819A1 (en) * 2016-01-28 2017-08-02 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Electric supercharging apparatus and electric supercharging system

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