WO2019096462A1 - Abgasführung mit aktuierbarer abgasturbine - Google Patents

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WO2019096462A1
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Andreas Heinisch
Dirk Christian Leinhos
Claus Reulein
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to an exhaust system with an exhaust gas turbine for a combus tion motor of a motor vehicle, a drive for a motor vehicle with an internal combustion engine and such exhaust system and a method for carrying off exhaust gas from an internal combustion engine.
  • the invention is described below in the context of T urbolader drive concepts for motor vehicles, although it is also executable turbine with an arranged exhaust, which is arranged in the exhaust system, but not part of a turbocharger is.
  • the applicability of the invention is in itself independent of the type of internal combustion engine used, the description is all recently based on gasoline engines.
  • turbocharging of the charge air for the air-fuel mixture which is burned in an internal combustion engine, is well known and applied nationwide.
  • the kinetic energy from the exhaust gases of the internal combustion engine is used to drive the turbocharger exhaust gas turbine.
  • a compressor rotatably connected With the driven exhaust gas turbine on the side of the charge air guide, a compressor rotatably connected, which sets the charge air under a back pressure, wel cher because of the greater absolute amount of oxygen of the pressurized air-fuel mixture in the engine higher engine power.
  • turbocharged engines such as those described above tend to emit their exhaust gases at a very high temperature into the exhaust passage at high applied supercharging pressure, particularly (but not exclusively) in combination with a high engine speed.
  • the temperatures of the exhaust gases in the exhaust system can be significantly reduced, because because of the lack of oxygen at lambda values of less than one, the combustion is cooler and also lacking in the exhaust aftertreatment oxygen for the heat-producing exothermic reaction. Due to the expected development of legal and normative regulations, however, it can be assumed that enrichment as a temperature reducer for the exhaust gases will be increasingly restricted in the future, or perhaps even completely eliminated. Against this background, it is an object of the invention to provide an improved gas from Ab, in particular promotes compliance with temperature limits in the exhaust system and optionally the exhaust aftertreatment.
  • an exhaust system for an internal combustion engine of a motor vehicle having the features of claim 1 and a method for discharging exhaust gases from an internal combustion engine having the features of claim 8.
  • Claim 7 is to a drive for a motor vehicle with a combus tion engine and directed to such exhaust system.
  • Preferred embodiments are the subject of the dependent claims. According to one aspect of the invention, an exhaust system for a combus tion motor of a motor vehicle is provided.
  • the exhaust system comprises: a) an NEN, in particular with the exhaust gas outlets of the internal combustion engine nen connected, exhaust manifold b) a angeord in the exhaust gas flow to the exhaust manifold angeord designated exhaust gas turbine, which is preferably part of a turbocharger of the internal combustion engine, with an electric machine for adjusting an operating mode of the exhaust gas turbine, wherein preferably the rotor of the electric machine is arranged on a rotary shaft of the exhaust gas turbine and rotatably connected and / or connected to the rotary shaft, c) arranged in the exhaust gas stream downstream of the exhaust gas turbine after-treatment, which in particular with a Abgasnach- treatment device can be connected and / or connected, and d) a Steuermit tel, which is adapted to a mode of operation of the electric machine - in particular a motor operation or a generator operation and / or the Leis tion of the motor / generator operation - in response to an operating situation of the internal combustion engines rs.
  • the exhaust system e) has a temperature detection means, which is set up to detect an, in particular current, exhaust gas temperature at at least one predetermined location in the exhaust system, wherein the control unit is set up in dependence on the detected characteristic of the exhaust gas. temperature to adjust the operating mode of the electrical machine, in particular to switch.
  • the term "detect" is to be understood in such a broad sense that, in addition to sensory detection, the reading of a temperature model, in particular relating to the combustion engine map, also falls.
  • An operating mode may be, for example, an engine operation, a generator operation or a neutral operation of the electric machine-and thus also of the exhaust gas turbine.
  • a drive for a motor vehicle comprising an internal combustion engine and an exhaust system ge according to an embodiment of the invention.
  • the control means is set up to adapt, in particular to increase, depending on the operating mode of the exhaust gas turbine, a lambda value of the air-fuel mixture injected in the internal combustion engine, preferably from a rich mixture to a stoichiometric combustion, and / or B. ) to control an ignition timing of the mixture earlier, so in particular to move temporally forward in relation to the cylinder position.
  • a method of removing exhaust gas from an internal combustion engine comprising the steps of: i) sensing an exhaust gas temperature at a predetermined location in the exhaust conduit, and ii) adjusting, particularly switching, the operating mode of the exhaust turbine Dependence on the detected characteristic of the exhaust gas temperature.
  • an embodiment of this method may be applied in a method of operating an internal combustion engine, additionally comprising the steps of: iii) increasing a lambda value of the air-fuel mixture injected in the internal combustion engine as a function of Operating mode of the exhaust gas turbine, and / or iv) earlier activation of an ignition timing of the mixture, in particular a temporal forward-laying of the ignition timing in relation to the cylinder position.
  • the invention is based inter alia on the consideration that at several 5 points in the exhaust system of T urbo-charged internal combustion engines in motor vehicles, the exhaust gas temperature is a limiting factor in the operation of the drive.
  • the current possibility of enrichment of the air-fuel mixture threatens to fall away in the future, in particular due to anticipated legal regulations at least for certain parts of the internal combustion engine.
  • One requirement for alternatives to influencing the exhaust gas temperatures in the exhaust gas duct is the possibility of influencing the exhaust gas process control.
  • the invention is based inter alia on the recognition that in vehicles with electrically actuated turbocharger (hereinafter also referred to as eATL) the water is used in most operating conditions of the engine only in a neutral operating mode, so its possible additional function by the electric machine so not used.
  • eATL electrically actuated turbocharger
  • this is only used for performance / dynamic increase in the full load range and / or as a recuperation component for electrical energy in abruptly take away the driving desire.
  • the eATL is simply used like a conventional turbocharger.
  • the inventors have now found that by a suitable use ei nes electrically actuated turbocharger, and in particular of the exhaust gas turbine, the exhaust gas process management can be influenced - and thus the exhaust gas temperature 5. This possibility of influence exists even in partial load operation and in static operation of the internal combustion engine.
  • a 'switching' of the operating mode is in this case first hen to understand that is changed in one or the other direction between a motor operation and a recuperation, or that in the one or in the other direction between a neutral operation on the one hand and the Engine operation o- the recuperation operation on the other hand is changed.
  • this 'switching' is in particular to distinguish from an 'adapt', which also writes an adaptation of the switched power of the engine operation or the Rekuperations- operation in the sense of an adjustment of the already switched operating mode be.
  • the temperature detection is set up to detect the exhaust gas temperature in the exhaust gas flow upstream of the exhaust gas turbine, in particular in the exhaust manifold or in an exhaust gas routing component of the exhaust gas turbine.
  • the temperature detection is adapted to detect exhaust gas temperature in the exhaust flow at the downstream end of the aftertreatment supply and / or in an associated exhaust after treatment device.
  • the temperature detection comprises at least one, in particular two or more, temperature sensors for detecting values of the exhaust-gas temperature for the most flexible possible integration into the motor vehicle and / or for a temperature sensor suitable for the application at least one, in particular two or more, predetermined locations, preferably one in the region of the exhaust gas turbine and one at the downstream end the exhaust system.
  • the temperature detection includes a temperature model of the internal combustion engine and / or the exhaust system for reading exhaust gas temperature values readable, in particular by means of the control means, at at least one, in particular two or more, predetermined locations. In this case, a separate temperature model or an integrated temperature model for several locations can be used for each site.
  • a wastegate line with a wastegate valve which is adapted to a mass flow of turbine on the exhaust past, in particular to the exhaust aftertreatment device out, adapted exhaust gas, in particular depending on the operating mode of the gas turbine from.
  • the exhaust gas turbine is an exhaust gas component of a turbocharger of the internal combustion engine.
  • a switching of the exhaust gas turbine between a motor operation, a recuperation and optionally a neutral operation is provided for adjusting the operating mode.
  • the detected output of the exhaust gas temperature is compared with a stored limit value.
  • the exhaust gas turbine can be protected, in particular, against thermal overload by switching the exhaust gas turbine into engine operation when the detected characteristic of the exhaust gas temperature in the exhaust gas stream in front of the exhaust gas turbine approaches, in particular, this limit, reaches or exceeds it.
  • the exhaust aftertreatment device can be protected in particular against thermal overload by the exhaust gas turbine is switched to the recuperation, according to an embodiment, if the detected expression of Ab gas temperature in the exhaust stream at the downstream end of NachANszu- management and / or in an associated exhaust aftertreatment device, in particular for this purpose , limit value approaches, reaches or exceeds this limit.
  • a wastegate valve of a wastegate exhaust gas outlet is partially or completely closed when the exhaust gas turbine is operated in recuperation operation.
  • the switched power with which the exhaust gas turbine is operated during engine operation or in generator mode is greater, the higher the detected exhaust gas temperature, in particular also in relation to an associated one Limit value for exhaust gas temperature at the point of detection.
  • a circuit of a larger Leis tion can increase both the engine operation and in Repukerations foi described for each respective mode of operation effect of lowering the temperature.
  • FIG. 1 shows a vehicle drive with an internal combustion engine, an electrically actuated turbocharger, a charge air supply, a Abgasnachbe treatment device and an exhaust system according to a beispielhaf th embodiment of the invention of an abstract schematic diagram, wherein the eATL is shown in a neutral mode of operation.
  • FIG. 2 shows the vehicle drive from FIG. 1, wherein the exhaust gas temperature in the region of the exhaust gas turbine is stamped close to the temperature limit value for this point;
  • Fig. 3 shows the vehicle drive of Fig. 1, wherein the exhaust gas temperature in the region of the exhaust aftertreatment device is close to the temperature limit for this point pronounced.
  • FIG. 1 shows a vehicle drive 1 with an internal combustion engine 2, an electrically actuated turbocharger (eATL) 4, a charge air supply 6, an exhaust aftertreatment device 8 and an exhaust system 10 according to an exemplary embodiment of the invention.
  • eATL electrically actuated turbocharger
  • the presentation of the various fluid guides is greatly simplified and is not intended to explain any details the Anlagenan drive 1, but only the idea of the invention and certain exemplary embodiments. For example, neither an exhaust gas recirculation nor the recirculation air valve is shown, although these components as well as other components are installed in many turbo engines.
  • the internal combustion engine 2 has four cylinders 12 (but may have more or fewer cylinders), which are supplied with air / fuel mixture by means of the charge air supply 6 and an injection unit 14. Possibly. existing spark plugs are not shown separately.
  • the eATL 4 has a compressor 18 in the charge air supply 6 and a turbine 20 Tur, which is rotatably connected to the compressor 18 by means of a shaft 22.
  • a rotor 24 of an electric machine 26 is arranged, which also has a stator 28 which is rotatably mounted on a Karrosserieteil 30.
  • the electric machine 26 With the electric machine 26 is connected to the transmission of electrical energy and control signals, state signals, sensor signals, etc., an operating unit 32 with an electrical energy storage and a communication interface to a control means arranged.
  • the turbine 20 of the eATL 4 is made of a high-temperature material ge manufactured, which can be up to 950 ° C resist in the embodiment of an exhaust gas temperature, so that a T emperaturgrenzwert is set at this level for the turbine 20. Other limits may of course also be provided.
  • the exhaust aftertreatment device 8 preferably has a Dreiwegekata analyzer and optionally a NOx catalyst and / or further Katalyseein units.
  • the three-way catalytic converter is designed so that it can convert exhaust gases up to a temperature of 900 ° C without damaging the fine reaction surfaces. Therefore, in the embodiment, a temperature limit value is set at this level for the exhaust aftertreatment device 8 (in further developments of the catalyst, a higher or lower limit value can also be set).
  • An exhaust manifold 34 discharges the hot exhaust gases from the combustion in the cylinders 12 and bundles them in a turbine supply 36.
  • a wastegate 38 is connected to a wastegate Valve 40 off.
  • the turbine feed 36 opens itself into a turbine guide, not shown, in which the exhaust gas turbine as a guide 10 trained turbine 20 of the eATL 4 is arranged.
  • a post-treatment supply 42 is arranged, into which the wastegate 38 opens.
  • the aftertreatment supply 42 itself flows into the exhaust aftertreatment device 8 on the downstream side.
  • a first temperature sensor 44 in the exhaust gas flow un indirectly before the turbine 20 and a second temperature sensor 46 in the exhaust stream immediately before the aftertreatment device 8 is shown.
  • Both temperature sensors 44, 46 are each arranged to detect at the predetermined location T3 or T4, on which they are arranged, a characteristic of an exhaust gas temperature in real time.
  • the detection of the temperature is not or not exclusively by means of the temperature sensors 44 and 46, but exclusively by means of a corresponding temperature model 48 for the respective location, or at least by means of a Matching between the detected by the sensors 44 and 46 Ausgargun conditions and the temperature model 48th
  • Such a temperature model 48 with a sufficient accuracy and reliability, preferably depending on operating characteristics of the drive 1 for a plurality of combinations of the operating characteristics, respectively, maintains a temperature to be expected at the considered point of the exhaust system 10.
  • a temperature model 48 application fin the, in which expected temperatures at the exhaust gas turbine 20 and the exhaust aftertreatment device 8 for a variety of pairs of Ab gas pressure p in the cylinder 12 on the one hand and a speed n of the internal combustion engine 2 on the other hand deposited are.
  • the exhaust system also has a control means 50, which for the transmission of control commands and / or state data and / or sensor data with the Tem perature sensors 44 and 46, with the valve 40, with the operating unit 32 of the electric machine 26, with the injection unit 14 and the temperature models 48 is connected.
  • the control means 50 may also be integrally formed with a control means of the internal combustion engine 2, the drive 1 or the entire motor ve hicle.
  • the double-headed arrows on the upstream side of the charge air supply 6 and on the downstream side symbolize a mass flow of charge air at an inlet or inlet system boundary or mass flow of aftertreated exhaust gases at an exhaust system or at an exhaust system boundary.
  • Such a neutral operation is suitable, for example, if an exhaust gas temperature close to that of the monitored positions of the temperature sensors 44 and 46 and / or from the values which the control means 50 reads from the temperature models 48 does not exist for any of the monitored locations respective limit.
  • FIG. 2 shows an operating case in which the control means 50 detects an excessively high exhaust-gas temperature in the region of the exhaust-gas turbine 20 on the basis of the exhaust gas temperature (by means of the temperature sensor 44 or by means of the temperature model 48).
  • a case can occur, for example, when the detected temperature value is close to the limit, this corresponds to o- exceeds this and / or if a temperature gradient is expected that without countermeasures, the limit will be exceeded.
  • the high detected value is represented in FIG. 2 by the fact that the temperature sensor 44 is shown in black.
  • the control means 50 has now determined that the exhaust gas is too hot for the exhaust gas turbine 20.
  • the electric machine 26 now acts with its torque in that direction, in which also the exhaust gas to be discharged to the exhaust gas turbine 20 this rotates. This is shown in Fig. 2 by the between the turbine 20 and the rotor 24 a drawn, curved arrow.
  • the rotation of the exhaust gas turbine 20 accelerates, which causes a reduction of the gas back pressure from the turbine.
  • the internal engine load drops, which is why the mixture ignition, for example by means of spark plugs on the injection unit 14, can take place earlier and thus the exhaust gas temperature T3 on the exhaust gas turbine 20 itself can be lowered. Is in this way from the gas temperature to the turbine 20 has been lowered far enough, example, by means of the control means 50 via the injection unit 14, a enrichment of the air-fuel mixture can be reduced or adjusted.
  • Such use of the engine operation of the exhaust gas turbine 20 comes in the present embodiment into consideration from speeds of the internal combustion engine of about 1700 / min, if the exhaust gas pressure is near a maximum of about 2900 kPa. In the range of maximum speeds of about 6500 rpm, the engine operation of the exhaust gas turbine 20 can also act as a support even from an exhaust gas pressure of about 1600 kPa. Simulations showed a temperature decrease of the order of magnitude of up to 20 ° C.
  • FIG. 3 shows an operating case in which the control means 50 recognizes an exhaust gas temperature which is too high in the region of the exhaust gas aftertreatment device 8 on the basis of the exhaust gas temperature (by means of the temperature sensor 46 or by means of the temperature model 48).
  • a case may occur, for example, when the sensed temperature value is close to, equal to, or exceeding the threshold and / or when a temperature gradient is expected to exceed the threshold without countermeasures.
  • the high detected value is shown in Fig. 3, characterized in that the temperature sensor 46 is shown blackened.
  • the control means 50 has now determined that the exhaust gas is too hot for the exhaust aftertreatment device 8. To counteract this, it switches the mode of operation of the electric machine 26 of the eATL 4 and, if necessary, adjusts it as a function of how strong the overshoot is, starting from neutral operation to a recuperation operation with a power stored in the control means 50 in an operating model, for example may depend on the height of the temperature.
  • the electric machine 26 now acts with its torque counter to the direction in which the exhaust gas to be discharged to the exhaust gas turbine 20 rotates. This is shown in Fig. 3 by the between the turbine 20 and the rotor 24 a drawn, curved arrow, which has a reverse direction of rotation compared to the representation in Fig. 2.
  • valve 40 is at least partially closed ge by means of the control unit 50, so that due to the increased exhaust gas mass flow, an increase in the power of the exhaust gas turbine is enabled in the generator mode. At the same time, the mass flow through the wastegate 38 is reduced. Thereby, and by the guidance of the exhaust gas over the longer path through the turbine 20, the exhaust gas arrives at an average lower temperature at the point T4, which is associated with the gas aftertreatment device 8 for temperature detection. In be described operating case so also allows the generator of the eATL 4 a partial or total waiver of the mixture enrichment.
  • Such use of the generator operation of the exhaust gas turbine 20 comes in the present embodiment into consideration from speeds of the combustion engine of about 2000 / min, if the exhaust gas pressure is near a maximum of about 2900 kPA. In the range of maximum speeds of about 6500 rpm, the generator operation of the exhaust gas turbine 20 can also have a supporting effect from an exhaust gas pressure of about 1000 kPa.
  • FIGS. 2 and 3 can be combined with one another in the present embodiment: via the existing exhaust gas temperature models 48 and / or the existing exhaust gas temperature sensors 44 and / or 46, a controller may be provided which adjusts the operation of the electrical machine 26 and thus of the exhaust gas turbine 20 such that at the different temperature critical points T3 and T4 in the exhaust system 10, a combined optimum below the different predetermined temperature limits predetermined locations in the exhaust system is achieved, example, at a point T3 on the exhaust gas turbine 20 and at a point T4 at the exhaust gas aftertreatment device. 8
  • the control means 50 can determine whether an engine operating mode for lowering the temperature at the point T3 or a recuperation operating mode is indicated for lowering the temperature at the point T4. In accordance with the detected characteristics, the electric machine 26 can then be switched to engine operation or recuperation operation. Preferably, the electric machine remains in a neutral operating condition, if it can not be clearly differentiated, whether a circuit for lowering the exhaust gas temperature at one point could have an undesirable negative effect on the exhaust gas temperature at the other location.
  • T3 Place in the exhaust system in front of the exhaust gas turbine

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abführen von Abgasen von einem Verbrennungsmotor (2) sowie eine Abgasführung (10) für einen Verbrennungsmotor (2) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen Abgaskrümmer (34), eine im Abgasstrom nach dem Abgaskrümmer angeordnete Abgasturbine (20) mit einer elektrischen Maschine (26) zum Anpassen eines Betriebsmodus der Abgasturbine, eine im Abgasstrom nach der Abgasturbine angeordnete Nachbehandlungszuführung (42), und ein Steuermittel (50), welches dazu eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einer Betriebssituation des Verbrennungsmotors anzusteuern.

Description

Abgasführung mit aktuierbarer Abgasturbine
Die Erfindung betrifft eine Abgasführung mit einer Abgasturbine für einen Verbren nungsmotor eines Kraftfahrzeugs, einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer solchen Abgasführung sowie ein Verfahren zum Ab- führen von Abgas von einem Verbrennungsmotor.
Die Erfindung wird nachfolgend im Kontext von T urbolader-Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge beschrieben, wenngleich sie auch mit einer angeordneten Abgas turbine ausführbar ist, die in der Abgasführung angeordnet ist, aber nicht Bestand teil eines Turboladers ist. Die Anwendbarkeit der Erfindung ist an sich unabhängig vom Typ des verwendeten Verbrennungsmotors, die Beschreibung erfolgt aller dings anhand von Ottomotoren.
Die Turboaufladung der Ladeluft für das Luft-Kraftstoff-Gemisch, das in einem Ver brennungsmotor verbrannt wird, ist allgemein bekannt und flächendeckend einge setzt. Bei klassischen Turboladern wird die kinetische Energie aus den Abgasen des Verbrennungsmotors dazu verwendet, die Abgasturbine des Turboladers anzu treiben. Mit der angetriebenen Abgasturbine ist auf Seiten der Ladeluftführung ein Kompressor drehfest verbunden, der die Ladeluft unter einen Staudruck setzt, wel cher wegen der größeren absoluten Sauerstoffmenge des unter Druck gesetzten Luft-Kraftstoff-Gemisches im Verbrennungsmotor eine höhere Motorleistung er- möglicht.
Bekannt sind auch elektrisch aktuierte Turbolader, bei welchen der Ladeluft-Kom pressor nicht nur mittels der Abgasturbine, sondern zusätzlich mit dem überlager ten Drehmoment einer an der Turboladerwelle angeordneten elektrischen Ma schine angetrieben wird. Damit kann ein höherer Aufladedruck und auf diesem Wege wiederum eine erhöhte Leistung des Verbrennungsmotors im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors - beispielsweise beim Kick-Down für Überholma növer - erreicht werden.
Es ist zudem bekannt, elektrisch aktuierte Turbolader zur Rekuperation von Ener gie aus dem Abgas in der Abgasführung zu verwenden, indem die elektrische Ma- schine nicht im Motorbetrieb, sondern im Rekuperationsbetrieb (als Generator) ge schalten wird. Eine derartige Schaltung bietet sich ebenfalls beim dynamischen Be trieb des Verbrennungsmotors an, beispielsweise bei einer plötzlichen Rücknahme der Gaspedal-Stellung.
Turbo-aufgeladene Motoren wie die oben beschriebenen neigen aber dazu, bei ho- hem anliegenden Aufladedruck, insbesondere (aber nicht ausschließlich) in Kombi nation mit einer hohen Drehzahl des Verbrennungsmotors, ihre Abgase mit einer sehr hohen Temperatur in die Abgasführung abzugeben.
Dies kann beispielsweise ein Problem für die Integrität oder Haltbarkeit der Abgas turbine bedeuten - je nach verwendetem Turbinenwerkstoff ab Abgastemperaturen von 900 °C bis 1050 °C. Verstellbare Abgasturbinen bereiten häufig schon bei niedrigeren Temperaturen Probleme. Zudem gibt es auch für die immer aufwändi gere Abgasnachbereitung, beispielsweise mit 3-Wege-Kat und gegebenenfalls NOx-Kat, Temperaturgrenzwerte, deren Überschreitung unmittelbar oder zumin dest dauerhaft die Katalysatoren schädigt. Gängigerweise wird diesem Problem durch eine Anfettung des Luft-Kraftstoff-Ge- misches in höheren Ladedruck- und/oder Drehzahlbereichen des Motorkennfeldes begegnet, sprich durch eine Zugabe von mehr Kraftstoff in das Luft-Kraftstoff-Ge- misch, als für eine stöchiometrisch vollständige Umsetzung des Gemischs bei der Verbrennung erforderlich wäre. Dadurch können die Temperaturen der Abgase in der Abgasführung deutlich gesenkt werden, weil wegen des fehlenden Sauerstoffs bei Lambdawerten von kleiner als eins die Verbrennung kühler abläuft und zudem in der Abgasnachbehandlung Sauerstoff für die wärmeproduzierende exotherme Reaktion fehlt. Aufgrund der zu erwartenden Entwicklung gesetzlicher und normativer Regelungen ist allerdings davon auszugehen, dass die Anfettung als Temperatursenker für die Abgase in Zukunft immer mehr eingeschränkt wird oder gegebenenfalls vielleicht ganz wegfällt. Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Ab gasführung bereitzustellen, die insbesondere eine Einhaltung von Temperatur grenzwerten in der Abgasführung und gegebenenfalls der Abgasnachbehandlung fördert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abgasführung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen von Anspruch 1 und ein Verfahren zum Abführen von Abgasen von einem Verbrennungsmotor mit den Merkmalen von An spruch 8. Anspruch 7 ist auf einen Antrieb für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbren nungsmotor und einer solchen Abgasführung gerichtet. Bevorzugte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Abgasführung für einen Verbren nungsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. Die Abgasführung weist auf: a) ei nen, insbesondere mit den Abgasauslässen des Verbrennungsmotors verbunde nen, Abgaskrümmer ,b) eine im Abgasstrom nach dem Abgaskrümmer angeord nete Abgasturbine, die vorzugsweise Bestandteil eines Turboladers des Verbren- nungsmotors ist, mit einer elektrischen Maschine zum Anpassen eines Betriebsmo- dus der Abgasturbine, wobei vorzugsweise der Rotor der elektrischen Maschine an einer Drehwelle der Abgasturbine angeordnet ist sowie mit der Drehwelle drehfest verbindbar und/oder verbunden ist, c) eine im Abgasstrom nach der Abgasturbine angeordnete Nachbehandlungszuführung, die insbesondere mit einer Abgasnach- behandlungsvorrichtung verbindbar und/oder verbunden ist, und d) ein Steuermit tel, welches dazu eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine - insbesondere einen Motorbetrieb oder einen Generatorbetrieb und/oder die Leis tung des Motor-/Generatorbetriebs - in Abhängigkeit von einer Betriebssituation des Verbrennungsmotors anzusteuern. Zudem weist die Abgasführung e) ein T emperaturerfassungsmittel auf, welches dazu eingerichtet ist, eine, insbesondere aktuelle, Abgastemperatur an wenigstens einer vorbestimmten Stelle in der Abgasführung zu erfassen, wobei das Steuermit tel dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der erfassten Ausprägung der Abgas- temperatur den Betriebsmodus der elektrischen Maschine anzupassen, insbeson dere umzuschalten. Der Begriff .Erfassen' ist vorliegend so breit zu verstehen, dass darunter neben sensorischer Erfassung auch das Auslesen eines, insbesondere Verbrennungsmotorkennfeld-bezogenen, Temperaturmodells fällt. Ein Betriebsmo dus kann beispielsweise ein Motorbetrieb, ein Generatorbetrieb oder ein Neutralbe- trieb der elektrischen Maschine - und damit auch der Abgasturbine - sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antrieb für ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, aufweisend einen Verbrennungsmotor und eine Abgasführung ge mäß einer Ausführung der Erfindung. Dabei ist das Steuermittel eingerichtet, A) in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Abgasturbine einen Lambdawert des im Ver- brennungsmotor eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemisches anzupassen, insbeson dere zu erhöhen, vorzugsweise ausgehend von einem fetten Gemisch hin zu einer stöchiometrischen Verbrennung, und/oder B) einen Zündzeitpunkt des Gemisches früher anzusteuern, also insbesondere im Verhältnis zur Zylinderstellung zeitlich nach vorne zu verlegen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Abführen von Abgas von einem Verbrennungsmotor bereitgestellt, aufweisend die Schritte: i) Er fassen einer Abgastemperatur an einer vorbestimmten Stelle in der Abgasführung, und, ii) Anpassen, insbesondere Umschalten, des Betriebsmodus der Abgasturbine in Abhängigkeit von der erfassten Ausprägung der Abgastemperatur. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Ausführung dieses Verfah rens in einem Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors angewendet wer den, zusätzlich aufweisend die Schritte: iii) Erhöhen eines Lambdawerts des im Verbrennungsmotor eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemisches in Abhängigkeit vom Betriebsmodus der Abgasturbine, und/oder iv) frühere Ansteuerung eines Zündzeit punkts des Gemisches, insbesondere ein zeitliches nach-vorne-Verlegen des Zündzeitpunkts im Verhältnis zur Zylinderstellung.
Der Erfindung liegt unter anderem die Überlegung zugrunde, dass an mehreren 5 Stellen in der Abgasführung von T urbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen die Abgastemperatur ein limitierter Faktor im Betrieb des Antriebs ist. Die gegenwärtige Möglichkeit einer Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemischs droht zukünftig insbesondere aufgrund zu erwartender gesetzlicher Regelungen zu mindest für gewisse Betriebsteile des Verbrennungsmotors wegzufallen. Eine An- w forderung an Alternativen zur Beeinflussung der Abgas-T emperaturen in der Ab gasführung ist die Einflussmöglichkeit auf die Abgas-Prozessführung.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Erkenntnis, dass bei Fahrzeugen mit elektrisch aktuiertem Turbolader (nachfolgend auch als eATL bezeichnet) die ser in den meisten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors lediglich in einem 15 neutralen Betriebsmodus verwendet wird, seine mögliche Zusatzfunktion durch die elektrische Maschine also gar nicht genutzt wird. Bei gegenwärtigen Fahrzeugen mit eATL wird dieser lediglich zur Leistungssteigerung/Dynamiksteigerung im Voll last-Bereich und/oder als Rekuperations-Bauteil für elektrische Energie beim plötz lichen Wegnehmen des Vortriebs-Wunsches verwendet. In anderen Betriebszu-0 ständen - und damit während des größten Teils des Fahrzeugbetriebs - wird der eATL schlicht wie ein herkömmlicher Turbolader verwendet.
Die Erfinder haben nun herausgefunden, dass durch einen geeigneten Einsatz ei nes elektrisch aktuierten Turboladers, und insbesondere von dessen Abgasturbine, die Abgas-Prozessführung beeinflusst werden kann - und damit auch die Abgas-5 temperatur. Diese Einflussmöglichkeit besteht auch im Teillastbetrieb und im stati schen Betrieb des Verbrennungsmotors.
Beispielsweise ermöglicht ein Betrieb der Abgasturbine des eATL im Motorbetrieb - also zur Beschleunigung des Abgas-Abtransports - eine Absenkung des Abgas gegendrucks vor der Turbine. Durch diese Absenkung sinkt die interne Motorlast, weshalb die Gemisch-Zündung ohne ein vergrößertes Klopf-Risiko früher stattfin den kann und somit die Abgastemperatur an der Abgasturbine selbst gesenkt wer- den kann. Wird dieser Mechanismus immer dann eingesetzt, wenn eine schädi gend hohe Abgastemperatur für die Abgasturbine zu befürchten ist, so kann in der Konsequenz ein weniger hitzeresistenter Werkstoff für die Abgasturbine verwendet werden und/oder in mehr/allen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors auf die Anfettung des Gemisches verzichtet werden, oder diese zumindest verringert wer den.
Ein weiteres Beispiel: ein Betrieb der Abgasturbine des eATL im Generatorbetrieb - also dem Abgas-Abtransport ein Drehmoment entgegensetzend - ermöglicht eine Erhöhung der Leistung der Abgasturbine. Dazu wird vorzugsweise der Mas senstrom über das Wastegate verringert. Dadurch und durch die Führung des Ab gases über den längeren Weg durch die Turbine kommt das Abgas mit einer durch schnittlich niedrigeren Temperatur an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung an. Da auch für die verschiedenen Katalysatoren einer typischen Abgasnachbehand lungsvorrichtung Temperaturgrenzwerte gelten, ermöglicht dieser Generatorbetrieb des eATL für weitere Betriebsfälle einen teilweisen oder umfassenden Verzicht auf die Gemisch-Anfettung. Zusätzlich oder alternativ wäre auch die Verwendung von Katalysatoren mit niedrigeren T emperaturgrenzwerten denkbar. Eine weitere Erkenntnis ist die Möglichkeit, im Sinne der Erfindung über ein vorhan denes Abgastemperaturmodell und/oder vorhandene Abgastemperatursensoren ei nen Regler bereitzustellen, der den Betrieb der die Maschine der Abgasturbine in Analogie zu den in den letzten Absätzen dargestellten Anwendungsbeispielen der art einstellt, dass an den verschiedenen temperaturkritischen Stellen in der Abgas- führung jeweils ein kombiniertes Optimum unterhalb der unterschiedlich festgeleg ten T emperaturgrenzwerte an vorbestimmten Stellen in der Abgasführung erreicht wird, beispielsweise an einer Stelle vor der Abgasturbine und an einer Stelle am Ende der Abgasführung/vor einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung. Gemäß einer Ausführung ist das Steuermittel dazu eingerichtet, die elektrische Ma schine und damit auch die Abgasturbine zwischen Motorbetrieb, Rekuperationsbe- trieb (=Generatorbetrieb) und ggf. Neutralbetrieb umzuschalten, um die Abgastem peratur gezielt und insbesondere auch an unterschiedlichen Stellen in der Abgas- führung zu beeinflussen, insbesondere zu senken.
Unter einem ,Umschalten‘ des Betriebsmodus ist vorliegend zunächst zu verste hen, dass in die eine oder in die andere Richtung zwischen einem Motorbetrieb und einem Rekuperationsbetrieb gewechselt wird, oder dass in die eine oder in die an dere Richtung zwischen einem Neutral betrieb einerseits und dem Motorbetrieb o- der dem Rekuperationsbetrieb andererseits gewechselt wird. Vorliegend ist dieses ,Umschalten‘ insbesondere zu Unterscheiden von einem ,Anpassen‘, das auch eine Anpassung der geschalteten Leistung des Motorbetriebs oder des Rekuperations- betriebs im Sinne einer Anpassung des bereits geschalteten Betriebsmodus be schreibt. Um die Abgasturbine selbst vor einer thermischen Überlastung zu schützen, ist ge mäß einer Ausführung die Temperaturerfassung eingerichtet, die Abgastemperatur im Abgasstrom vor der Abgasturbine, insbesondere im Abgaskrümmer oder in ei nem Abgasführungsbauteil der Abgasturbine, zu erfassen.
Um die Bestandteile einer Abgasnachbehandlungsvorrichtung vor einer thermi- sehen Überlastung zu schützen, ist gemäß einer Ausführung die Temperaturerfas sung eingerichtet, die Abgastemperatur im Abgasstrom am stromabwärtigen Ende der Nachbehandlungszuführung und/oder in einer damit verbundenen Abgasnach behandlungsvorrichtung zu erfassen.
Zur möglichst flexiblen Integration in das Kraftfahrzeug und/oder um eine für den Anwendungsfall geeignete Tem peratu rerf assu ng zu ermöglichen, weist gemäß ei ner Ausführung die T emperaturerfassung wenigstens einen, insbesondere zwei o- der mehr T emperatursensoren zur Erfassung von Werten der Abgastemperatur an wenigstens einer, insbesondere zwei oder mehr, vorbestimmten Stellen auf, vor zugsweise einen im Bereich der Abgasturbine und einen am stromabwärtigen Ende der Abgasführung. In einer zusätzlichen oder alternativen Ausführung weist die T emperaturerfassung ein, insbesondere mittels des Steuermittels auslesbares, hin terlegtes Temperaturmodell des Verbrennungsmotors und/oder der Abgasführung zur Erfassung von Werten der Abgastemperatur an wenigstens einer, insbesondere zwei oder mehr, vorbestimmten Stellen. Dabei kann für jede Stelle ein separates Temperaturmodell oder ein integriertes Temperaturmodell für mehrere Stellen Ver wendung finden.
Um einen Rekuperationsbetrieb der Abgasturbine besser steuern zu können, weist die Abgasturbine gemäß einer Ausführung eine Wastegate-Leitung mit einem Wastegate-Ventil auf, das eingerichtet ist, einen Massenstrom von an der Abgas turbine vorbei, insbesondere zur Abgasnachbehandlungseinrichtung hin, geleitetem Abgas anzupassen, insbesondere in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus der Ab gasturbine.
Damit die Erfindung bei typischen Turbo-aufgeladenen Verbrennungsmotoren an- wendbar ist, ist gemäß einer Ausführung die Abgasturbine eine abgasseitige Kom ponente eines Turboladers des Verbrennungsmotors.
Gemäß einer Ausführung ist zum Anpassen des Betriebsmodus ein Umschalten der Abgasturbine zwischen einem Motorbetrieb, einem Rekuperationsbetrieb und ggf. einem Neutral betrieb vorgesehen. Um die Abgastemperatur in einem für die durchströmte Komponente unschädlichen Temperaturbereich zu halten, wird gemäß einer Ausführung die erfasste Ausprä gung der Abgastemperatur mit einem hinterlegten Grenzwert verglichen.
Die Abgasturbine kann insbesondere gegen thermische Überlastung geschützt werden, indem gemäß einer Ausführung die Abgasturbine in den Motorbetrieb ge- schalten wird, wenn die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur im Abgasstrom vor der Abgasturbine dem, insbesondere hierfür, hinterlegten Grenzwert nahe kommt, diesen erreicht oder überschreitet. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung kann insbesondere gegen thermische Überlastung geschützt werden, indem gemäß einer Ausführung die Abgasturbine in den Rekuperationsbetrieb geschalten wird, wenn die erfasste Ausprägung der Ab gastemperatur im Abgasstrom am stromabwärtigen Ende der Nachbehandlungszu- führung und/oder in einer damit verbundenen Abgasnachbehandlungsvorrichtung dem, insbesondere hierfür, hinterlegten Grenzwert nahekommt, diesen erreicht o- der überschreitet.
Zur Bereitstellung eines ausreichenden Abgas-Massenstroms bzw. einer ausrei chenden kinetischen Energie für den Rekuperationsbetrieb wird gemäß einer Aus- führung ein Wastegate-Ventil eines Wastegates der Abgasführung teilweise oder vollständig geschlossen, wenn die Abgasturbine im Rekuperationsbetrieb betrieben wird.
Um die Regelung der Abgastemperatur weiter zu verbessern, ist gemäß einer Aus führung die geschaltete Leistung, mit welcher die Abgasturbine im Motorbetrieb o- der im Generatorbetrieb betrieben wird, umso größer, je höher die erfasste Abgas temperatur ist, insbesondere auch im Verhältnis zu einem zugehörigen Grenzwert für Abgastemperatur an der erfassten Stelle. Eine Schaltung einer größeren Leis tung kann sowohl im Motorbetrieb als auch im Repukerationsbetrieb den zum je weiligen Betriebsmodus beschriebenen Effekt der Temperatursenkung erhöhen. Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen, teilweise in stark schematisierter Darstellung,
Fig. 1 einen Fahrzeugantrieb mit einem Verbrennungsmotor, einem elektrisch aktuierten Turbolader, einer Ladeluftzuführung, einer Abgasnachbe handlungsvorrichtung sowie einer Abgasführung nach einer beispielhaf ten Ausführung der Erfindung einer abstrahierten Prinzipskizze, wobei der eATL in einem neutralen Betriebsmodus dargestellt ist; Fig. 2 den Fahrzeugantrieb aus Fig. 1 , wobei die Abgastemperatur im Bereich der Abgasturbine nahe am T emperatur-Grenzwert für diese Stelle aus geprägt ist; und
Fig. 3 den Fahrzeugantrieb aus Fig. 1 , wobei die Abgastemperatur im Bereich der Abgasnachbehandlungsvorrichtung nahe am Temperatur-Grenzwert für diese Stelle ausgeprägt ist.
In Fig. 1 ist ein Fahrzeugantrieb 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, einem elektrisch aktuierten Turbolader (eATL) 4, einer Ladeluftzuführung 6, einer Abgas nachbehandlungsvorrichtung 8 und einer Abgasführung 10 nach einer beispielhaf- ten Ausführung der Erfindung dargestellt. Die Darstellung der verschiedenen Fluid führungen ist stark vereinfacht und soll nicht jegliche Details das Fahrzeugan triebs 1 , sondern lediglich den Gedanken der Erfindung und bestimmter beispiel hafter Ausführungen erläutern. So ist beispielsweise weder eine Abgasrückführung noch das Schubumluftventil dargestellt, obwohl diese Komponenten wie auch an- dere Komponenten bei vielen Turbomotoren verbaut sind.
Der Verbrennungsmotor 2 weist im Ausführungsbeispiel vier Zylinder 12 auf (kann aber mehr oder weniger Zylinder aufweisen), die mittels der Ladeluftzuführung 6 und einer Einspritzeinheit 14 mit Luft-Kraftstoff-Gemisch versorgt werden. Ggf. vor- handene Zündkerzen sind nicht separat dargestellt. Der eATL 4 weist einen Kompressor 18 in der Ladeluftzuführung 6 und eine Tur bine 20 auf, die mit dem Kompressor 18 drehfest mittels einer Welle 22 verbunden ist. An der Welle 22 ist drehfest verbindbar oder verbunden ein Rotor 24 einer elektrischen Maschine 26 angeordnet, die zudem einen Stator 28 aufweist, der an einem Karrosserieteil 30 drehfest gelagert ist. Mit der elektrischen Maschine 26 ist zur Übertragung elektrischer Energie sowie von Steuersignalen, Zustandssignalen, Sensorsignalen, etc. verbunden eine Betriebseinheit 32 mit einem elektrischen Energiespeicher und einer Kommunikationsschnittstelle zu einem Steuermittel an geordnet. Die Turbine 20 des eATL 4 ist aus einem Temperatur-Hochleistungswerkstoff ge fertigt, welcher im Ausführungsbeispiel einer Abgastemperatur bis zu 950 °C wider stehen kann, sodass ein T emperaturgrenzwert in dieser Höhe für die Turbine 20 festgelegt ist. Andere Grenzwerte können selbstverständlich auch vorgesehen sein. Die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 weist vorzugsweise einen Dreiwegekata lysator und gegebenenfalls einen NOx-Katalysator und/oder weitere Katalyseein heiten auf. Der D rei weg ekatalysato r ist so ausgebildet, dass er Abgase bis zu einer Temperatur von 900 °C umsetzen kann, ohne Schaden an den feinen Reaktions oberflächen zu nehmen. Daher ist im Ausführungsbeispiel ein Temperaturgrenz- wert in dieser Höhe für die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 festgelegt (bei Weiterentwicklungen des Katalysators kann auch ein höherer oder niedrigerer Grenzwert eingestellt werden).
Die Abgasführung 10 und ihre Komponenten sind nachfolgend entsprechend der Strömungsrichtung der Abgase sortiert beschrieben: Ein Abgaskrümmer 34 führt die heißen Abgase aus der Verbrennung in den Zylindern 12 ab und bündelt diese in einer Turbinenzuführung 36. Von der Turbinenzuführung 36 geht ein Wastegate 38 mit einem Wastegate-Ventil 40 ab. Die Turbinenzuführung 36 mündet selbst in eine nicht dargestellte Turbinenführung, in welcher die als Abgasturbine der Abgas führung 10 ausgebildete Turbine 20 des eATL 4 angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine 20 ist eine Nachbehandlungszuführung 42 angeordnet, in welche das Wastegate 38 mündet. Die Nachbehandlungszuführung 42 selbst mündet auf der stromabwärtigen Seite in die Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8.
In der Darstellung der Fig. 1 ist ein erster Temperatursensor 44 im Abgasstrom un mittelbar vor der Turbine 20 und ein zweiter Temperatursensor 46 im Abgasstrom unmittelbar vor der Nachbehandlungsvorrichtung 8 dargestellt. Beide Temperatur sensoren 44, 46 sind jeweils eingerichtet, an der vorbestimmten Stelle T3 bzw. T4, an welcher sie angeordnet sind, eine Ausprägung einer Abgastemperatur in Echt zeit zu erfassen. Für die dargestellte Ausführung der Erfindung ist es jedoch genauso gut möglich, dass die Erfassung der Temperatur nicht oder nicht ausschließlich mittels der Tem peratursensoren 44 und 46 erfolgt, sondern ausschließlich mittels eines entspre chenden T emperaturmodells 48 für die jeweilige Stelle, oder zumindest mittels ei- nes Abgleichs zwischen den durch die Sensoren 44 und 46 erfassten Ausprägun gen und dem Temperaturmodell 48.
Ein solches Temperaturmodell 48 hält mit einer ausreichenden Genauigkeit und Verlässlichkeit vorzugsweise in Abhängigkeit von Betriebskenndaten des Antriebs 1 für eine Vielzahl von Kombinationen der Betriebskenndaten jeweils eine zu er- wartende Temperatur an der betrachteten Stelle der Abgasführung 10 bereit. Im Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein Temperaturmodell 48 Anwendung fin den, in welchem zu erwartende Temperaturen an der Abgasturbine 20 bzw. an der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 für eine Vielzahl von Wertepaaren eines Ab gasdrucks p im Zylinder 12 einerseits und einer Drehzahl n des Verbrennungsmo- tors 2 andererseits hinterlegt sind.
Die Abgasführung weist zudem ein Steuermittel 50 auf, welches zur Übermittlung von Steuerbefehlen und/oder Zustandsdaten und/oder Sensordaten mit den Tem peratursensoren 44 und 46, mit dem Ventil 40, mit der Betriebseinheit 32 der elektrischen Maschine 26, mit der Einspritzeinheit 14 sowie mit den Temperaturmo- dellen 48 verbunden ist. Das Steuermittel 50 kann auch integriert mit einem Steuer mittel des Verbrennungsmotors 2, des Antriebs 1 oder des gesamten Kraftfahr zeugs ausgebildet sein.
Die doppelt gestrichenen Pfeile an der stromaufwärtigen Seite der Ladeluftzufüh rung 6 und an der stromabwärtigen Seite symbolisieren einen Massenstrom an La- deluft an einem Einlass oder einer Eingangssystemgrenze bzw. einem Massen strom an nachbehandelten Abgasen an einer Auspuffeinrichtung oder einer Aus gangssystemgrenze.
In der Darstellung der Fig. 1 arbeitet der eATL 4 im Neutral betrieb. Das ist darge stellt durch den gebogenen Pfeil links des Kompressors 18, welcher eine Drehung der drehfest verbundenen Anordnung von Abgasturbine 20 und Kompressor 18 rein aus der kinetischen Energie des durch die Turbine 20 geleiteten Abgases ver deutlichen soll.
Ein solcher Neutral betrieb kommt beispielsweise infrage, wenn sich aus der erfass- ten Werten der T emperatursensoren 44 und 46 und/oder aus den Werten, welche das Steuermittel 50 aus den T emperaturmodellen 48 ausliest, für keine der über wachten Stellen eine Abgastemperatur nahe dem jeweiligen Grenzwert ergibt.
Die Funktionsweise der Erfindung und insbesondere die Schritte eines Verfahrens nach einer beispielhaften Ausführung der Erfindung sind nachfolgend anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Betriebsfall, bei welchem das Steuermittel 50 auf Basis der er fassten Ausprägung der Abgastemperatur (mittels des Temperatursensors 44 oder mittels des Temperaturmodells 48) eine zu hohe Abgastemperatur im Bereich der Abgasturbine 20 erkennt. Ein solcher Fall kann beispielsweise eintreten, wenn der erfasste Temperaturwert sich nahe dem Grenzwert befindet, diesem entspricht o- der diesen übersteigt und/oder wenn ein Temperaturgradient erwarten lässt, dass ohne Gegenmaßnahmen der Grenzwert überschritten werden wird. Der hohe er fasste Wert ist in Fig. 2 dadurch dargestellt, dass der Temperatursensor 44 ge- schwärzt dargestellt ist. Das Steuermittel 50 hat nun also ermittelt, dass das Abgas zu heiß für die Abgas turbine 20 ist. Um dem entgegenzuwirken, schaltet es den Betriebsmodus der elektrischen Maschine 26 des eATL 4 um und passt ihn ggf. in Abhängigkeit davon, wie stark die Überschreitung ist, an, und zwar ausgehend vom Neutralbetrieb hin zu einem Motorbetrieb mit einer beispielsweise in einem Betriebsmodell in dem Steuermittel 50 hinterlegten Leistung, die von der Höhe der Temperatur abhängen kann.
Damit wirkt nun die elektrische Maschine 26 mit ihrem Drehmoment in diejenige Richtung, in welche auch das abzuführende Abgas an der Abgasturbine 20 diese dreht. Dies ist in Fig. 2 durch den zwischen der Turbine 20 und dem Rotor 24 ein gezeichneten, gekrümmten Pfeil dargestellt.
Die Drehung der Abgasturbine 20 beschleunigt sich, was eine Absenkung des Ab gasgegendrucks vor der Turbine bewirkt. Durch diese Absenkung sinkt die interne Motorlast, weshalb die Gemisch-Zündung, beispielsweise mittels Zündkerzen an der Einspritzeinheit 14, früher stattfinden kann und somit die Abgastemperatur T3 an der Abgasturbine 20 selbst gesenkt werden kann. Ist auf diese Weise die Ab gastemperatur an der Turbine 20 weit genug abgesenkt worden, kann beispiels weise mittels der Steuermittel 50 über die Einspritzeinheit 14 eine Anfettung des Luft-Kraftstoff-Gemisches verringert oder eingestellt werden.
Eine derartige Verwendung des Motorbetriebs der Abgasturbine 20 kommt im vor liegenden Ausführungsbeispiel in Betracht ab Drehzahlen des Verbrennungsmotors von ca. 1700/min, wenn dabei der Abgasdruck nahe einem Maximum von ca. 2900 kPA liegt. Im Bereich maximaler Drehzahlen von ca. 6500/min kann der Motorbe- trieb der Abgasturbine 20 auch bereits ab einem Abgasdruck von ca. 1600 kPa un terstützend wirken. Simulationen ergaben eine T emperaturabsenkung in der Grö ßenordnung von bis zu 20°C.
Fig. 3 zeigt einen Betriebsfall, bei welchem das Steuermittel 50 auf Basis der er fassten Ausprägung der Abgastemperatur (mittels des Temperatursensors 46 oder mittels des Temperaturmodells 48) eine zu hohe Abgastemperatur im Bereich der Abgasnachbehandlungsvorrichtung 8 erkennt. Ein solcher Fall kann beispielsweise eintreten, wenn der erfasste Temperaturwert sich nahe dem Grenzwert befindet, diesem entspricht oder diesen übersteigt und/oder wenn ein Temperaturgradient erwarten lässt, dass ohne Gegenmaßnahmen der Grenzwert überschritten werden wird. Der hohe erfasste Wert ist in Fig. 3 dadurch dargestellt, dass der Temperatur sensor 46 geschwärzt dargestellt ist.
Das Steuermittel 50 hat nun also ermittelt, dass das Abgas zu heiß für die Abgas nachbehandlungsvorrichtung 8 ist. Um dem entgegenzuwirken, schaltet es den Be- triebsmodus der elektrischen Maschine 26 des eATL 4 um und passt ihn ggf. in Ab hängigkeit davon, wie stark die Überschreitung ist, an, und zwar ausgehend vom Neutralbetrieb hin zu einem Rekuperationsbetrieb mit einer beispielsweise in einem Betriebsmodell in dem Steuermittel 50 hinterlegten Leistung, die von der Höhe der Temperatur abhängen kann.
Damit wirkt nun die elektrische Maschine 26 mit ihrem Drehmoment entgegen der jenigen Richtung, in welche das abzuführende Abgas an der Abgasturbine 20 diese dreht. Dies ist in Fig. 3 durch den zwischen der Turbine 20 und dem Rotor 24 ein gezeichneten, gekrümmten Pfeil dargestellt, der im Vergleich zur Darstellung in Fig. 2 eine umgekehrte Drehrichtung aufweist.
Zudem wird mittels der Steuereinheit 50 das Ventil 40 zumindest teilweise ge schlossen, sodass aufgrund des erhöhten Abgas-Massenstroms eine Erhöhung der Leistung der Abgasturbine im Generatorbetrieb ermöglicht wird. Gleichzeitig wird der Massenstrom über das Wastegate 38 verringert. Dadurch und durch die Füh- rung des Abgases über den längeren Weg durch die Turbine 20, kommt das Abgas mit einer durchschnittlich niedrigeren Temperatur an der Stelle T4 an, die der Ab gasnachbehandlungsvorrichtung 8 zur Temperaturerfassung zugeordnet ist. Im be schriebenen Betriebsfall ermöglicht also auch der Generator des eATL 4 einen teil weisen oder umfassenden Verzicht auf die Gemisch-Anfettung. Eine derartige Verwendung des Generatorbetriebs der Abgasturbine 20 kommt im vorliegenden Ausführungsbeispiel in Betracht ab Drehzahlen des Verbrennungs motors von ca. 2000/min, wenn dabei der Abgasdruck nahe einem Maximum von ca. 2900 kPA liegt. Im Bereich maximaler Drehzahlen von ca. 6500/min kann der Generatorbetrieb der Abgasturbine 20 auch bereits ab einem Abgasdruck von ca. 1000 kPa unterstützend wirken.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Betriebsfälle können im vorliegenden Aus führungsbeispiel miteinander kombiniert werden: über die vorhandenen Abgastem peraturmodelle 48 und/oder die vorhandenen Abgastemperatursensoren 44 und/o- der 46 kann ein Regler bereitgestellt werden, der den Betrieb der elektrischen Ma schine 26 und damit der Abgasturbine 20 derart einstellt, dass an den verschiede nen temperaturkritischen Stellen T3 und T4 in der Abgasführung 10 jeweils ein kombiniertes Optimum unterhalb der unterschiedlich festgelegten Temperatur- grenzwerte an vorbestimmten Stellen in der Abgasführung erreicht wird, beispiels weise an einer Stelle T3 an der Abgasturbine 20 und an einer Stelle T4 an der Ab gasnachbehandlungsvorrichtung 8.
Je nachdem, an welcher der beiden Stellen T3 und T4 bezüglich der Abgastempe ratur oder der Abgastemperatu r- Entwickl u ng ein .kritischerer Fall' vorliegt, kann das Steuermittel 50 ermitteln, ob ein Motor-Betriebsmodus zur Senkung der Tempera tur an der Stelle T3 oder ein Rekuperations-Betriebsmodus zur Senkung der Tem peratur an der Stelle T4 angezeigt ist. Entsprechend der erfassten Ausprägungen kann dann die elektrische Maschine 26 in den Motorbetrieb oder in den Rekuperati- onsbetrieb umgeschalten werden. Vorzugsweise verbleibt die elektrische Maschine in einem Neutralbetriebzustand, falls nicht klar differenziert werden kann, ob eine Schaltung zur Senkung der Abgastemperatur an der einen Stelle einen uner wünschten negativen Effekt auf die Abgastemperatur an der anderen Stelle haben könnte.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Fahrzeugantrieb
2 Verbrennungsmotor
4 elektrisch aktuierter Turbolader (eATL)
6 Ladeluftzuführung
8 Abgasnachbehandlungsvorrichtung
10 Abgasführung
12 Zylinder
14 Einspritzeinheit
18 Kompressor
20 Abgasturbine
22 Welle
24 Rotor
26 elektrische Maschine
28 Stator
30 Karrosserieteil
32 Betriebseinheit
34 Abgaskrümmer
36 Turbinenzuführung
38 Wastegate
40 Wastegate-Ventil
42 Nachbehandlungszuführung
44 erster Temperatursensor
46 zweiter Temperatursensor
48 Temperaturmodelle
50 Steuermittel
T3 Stelle in der Abgasführung vor der Abgasturbine
T4 Stelle in der Abgasführung vor der Abgasnachbehandlungs- Vorrichtung P Abgasdruck
n Drehzahl des Verbrennungsmotors

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Abgasführung (10) für einen Verbrennungsmotor (2) eines Kraftfahrzeugs, aufweisend
- einen Abgaskrümmer (34),
- eine im Abgasstrom nach dem Abgaskrümmer angeordnete Abgasturbine (20) mit einer elektrischen Maschine (26) zum Anpassen eines Betriebsmo dus der Abgasturbine,
- eine im Abgasstrom nach der Abgasturbine angeordnete Nachbehandlungs zuführung (42), und
- ein Steuermittel (50), welches dazu eingerichtet ist, einen Betriebsmodus der elektrischen Maschine in Abhängigkeit von einer Betriebssituation des Verbrennungsmotors anzusteuern,
gekennzeichnet durch
ein T emperaturerfassungsmittel (44, 46, 48), welches dazu eingerichtet ist, eine Abgastemperatur an wenigstens einer vorbestimmten Stelle (T3, T4) in der Abgasführung (10) zu erfassen, wobei das Steuermittel (50) dazu einge richtet ist, in Abhängigkeit von der erfassten Ausprägung der Abgastempera- tur den Betriebsmodus der elektrischen Maschine (26) umzuschalten.
2. Abgasführung (10) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (50) dazu eingerichtet ist, die elektrische Maschine (26) zwi schen Motorbetrieb, Rekuperationsbetrieb und ggf. Neutral betrieb umzuschal ten.
3. Abgasführung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassung (44, 46, 48) eingerichtet ist, die Abgastemperatur im Abgasstrom vor und/oder bei der Abgasturbine (20) zu erfassen.
4. Abgasführung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassung (44, 46, 48) eingerichtet ist, die Abgastemperatur im Abgasstrom am stromabwärtigen Ende der Nachbe handlungszuführung (42) zu erfassen.
5. Abgasführung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassung (44, 46, 48) wenigstens ei nen Temperatursensor (44, 46) und/oder ein hinterlegtes Temperaturmodell (48) des Verbrennungsmotors (2) und/oder der Abgasführung (10) zur Erfas sung von Werten der Abgastemperatur an wenigstens einer vorbestimmten Stelle (T3, T4) aufweist.
6. Abgasführung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (20) eine abgasseitige Komponente eines Turboladers (4) des Verbrennungsmotors (2) ist.
7. Antrieb (1) für ein Kraftfahrzeug, aufweisend einen Verbrennungsmotor (2) und eine Abgasführung (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (50) eingerichtet ist, in Ab hängigkeit vom Betriebsmodus der Abgasturbine (20) einen Lambdawert des im Verbrennungsmotor (2) eingespritzten Luft-Kraftstoff-Gemisches anzupas sen und/oder einen Zündzeitpunkt des Gemisches früher anzusteuern.
8. Verfahren zum Abführen von Abgasen von einem Verbrennungsmotor (2), gekennzeichnet durch die Schritte:
- Erfassen einer Abgastemperatur an wenigstens einer vorbestimmten Stelle (T3, T4) in der Abgasführung (10), und
- Umschalten des Betriebsmodus der Abgasturbine (20) in Abhängigkeit von der erfassten Ausprägung der Abgastemperatur.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt:
- Umschalten der Abgasturbine (20) zwischen einem Motorbetrieb, einem Re- kuperationsbetrieb und ggf. Neutral betrieb zum Anpassen des Betriebsmo dus.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur mit ei nem hinterlegten Grenzwert verglichen wird.
1 1. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (20) in den Motorbetrieb geschalten wird, wenn die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur im Abgasstrom vor der Abgasturbine (T3) dem hinterlegten Grenzwert nahekommt, diesen er reicht oder überschreitet.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine in den Rekuperationsbetrieb ge schalten wird, wenn die erfasste Ausprägung der Abgastemperatur im Ab gasstrom am stromabwärtigen Ende (T4) der Nachbehandlungszuführung (42) dem hinterlegten Grenzwert nahekommt, diesen erreicht oder über schreitet.
13. Verfahren gemäß dem vorhergehenden Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wastegate-Ventil (40) eines Wastegates (38) der Abgas führung (42) teilweise oder vollständig geschlossen wird, wenn die Abgastur bine (20) im Rekuperationsbetrieb betrieben wird.
14. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die geschaltete Leistung, mit welcher die Abgastur bine (20) im Motorbetrieb oder im Generatorbetrieb betrieben wird, umso grö ßer ist, je höher die erfasste Abgastemperatur ist.
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