DE102015207545A1 - Two-stage rechargeable internal combustion engine with exhaust aftertreatment and method for operating such an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Brennkraftmaschine (1) mit min. zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern (6, 7), von denen ein erster Abgasturbolader (6) als Niederdruckstufe (6) und ein zweiter Abgasturbolader (7) als Hochdruckstufe (7) dient, wobei – die zweite Turbine (7a) stromaufwärts der ersten Turbine (6a) angeordnet ist und der zweite Verdichter (7b) stromabwärts des ersten Verdichters (6b) angeordnet ist, – eine erste Bypassleitung (14) vorgesehen ist, die zwischen der ersten Turbine (6a) und der zweiten Turbine (7a) unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes (8a) vom Abgasabführsystem (4) abzweigt, – eine zweite Bypassleitung (12) vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine (7a) vom Abgasabführsystem (4) abzweigt und die zwischen der ersten Turbine (6a) und der zweiten Turbine (7a) wieder in das Abgasabführsystem (4) einmündet und in der ein Absperrelement (13) angeordnet ist, – eine dritte Bypassleitung (10) vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Verdichter (6b) und dem zweiten Verdichter (7b) unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes (8b) in das Ansaugsystem (2) einmündet und in der ein weiteres Absperrelement (11) angeordnet ist, – stromabwärts der Turbinen (6a, 7a) mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem (15) im Abgasabführsystem (4) vorgesehen ist, und – eine Abgasrückführung vorgesehen ist, wobei – am ersten Knotenpunkt (8a) ein Ventil (9) angeordnet ist, und – zwischen dem ersten Verdichter (6b) und dem zweiten Verdichter (7b) ein Ladeluftkühler (5a) angeordnet ist.Internal combustion engine (1) with min. two exhaust gas turbochargers (6, 7) connected in series, of which a first exhaust gas turbocharger (6) serves as a low pressure stage (6) and a second exhaust gas turbocharger (7) as a high pressure stage (7), wherein - the second turbine (7a) upstream of the first turbine (6a) is arranged and the second compressor (7b) downstream of the first compressor (6b) is arranged, - a first bypass line (14) is provided between the first turbine (6a) and the second turbine (7a) to form a a second bypass line (12) is provided which branches off from the exhaust gas removal system (4) upstream of the second turbine (7a) and which connects between the first turbine (6a) and the second turbine (8a). 7a) again into the Abgasabführsystem (4) opens and in which a shut-off element (13) is arranged, - a third bypass line (10) is provided between the first compressor (6b) and the second compressor (7b) under Ausbildu ng a second node (8b) opens into the intake system (2) and in which a further shut-off element (11) is arranged, - downstream of the turbines (6a, 7a) at least one exhaust aftertreatment system (15) in Abgasabführsystem (4) is provided, and - An exhaust gas recirculation is provided, - at the first node (8a) a valve (9) is arranged, and - between the first compressor (6b) and the second compressor (7b) a charge air cooler (5a) is arranged.
Description
Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
- – die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt,
- – eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist,
- – eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet und in der ein weiteres Absperrelement angeordnet ist,
- – stromabwärts der Turbinen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist, und
- – eine Abgasrückführung vorgesehen ist.
- The second turbine of the second exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the first turbine of the first exhaust gas turbocharger and the second compressor of the second exhaust gas turbocharger is arranged downstream of the first compressor of the first exhaust gas turbocharger
- A first bypass line is provided which branches off between the first turbine and the second turbine to form a first node from the exhaust gas removal system,
- A second bypass line is provided, which branches off from the exhaust gas removal system upstream of the second turbine and which opens again into the exhaust gas discharge system between the first turbine and the second turbine and in which a shut-off element is arranged,
- A third bypass line is provided which opens into the intake system between the first compressor and the second compressor to form a second node and in which a further shut-off element is arranged,
- - At least one exhaust aftertreatment system is provided in the Abgasabführsystem downstream of the turbines, and
- - An exhaust gas recirculation is provided.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art.Furthermore, the invention relates to a method for operating a supercharged internal combustion engine of the type mentioned above.
Eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art wird als Kraftfahrzeugantrieb eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Ottomotoren, Dieselmotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, sowie Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.An internal combustion engine of the type mentioned is used as a motor vehicle drive. In the context of the present invention, the term internal combustion engine includes gasoline engines, diesel engines, but also hybrid internal combustion engines that use a hybrid combustion process, as well as hybrid drives, which in addition to the internal combustion engine comprise an electric motor which can be connected to the internal combustion engine, which receives power from the internal combustion engine or as switchable auxiliary drive additionally delivers power.
Die Aufladung der Brennkraftmaschine dient in erster Linie der Leistungssteigerung. Die für den Verbrennungsprozess benötigte Luft wird verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.The charging of the internal combustion engine serves primarily to increase performance. The air required for the combustion process is compressed, which allows each cylinder per working cycle, a larger air mass can be supplied. As a result, the fuel mass and thus the medium pressure can be increased.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Wird der Hubraum verringert, lässt sich das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist. Durch Aufladung in Kombination mit einer geeigneten Getriebeauslegung kann auch ein sogenanntes Downspeeding realisiert werden, bei dem ebenfalls ein geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch erzielt werden kann.The charge is a suitable means to increase the capacity of an internal combustion engine with unchanged displacement, or to reduce the displacement at the same power. In any case, the charging leads to an increase in space performance and a lower power mass. If the displacement is reduced, the load spectrum can be shifted to higher loads, where the specific fuel consumption is lower. By charging in combination with a suitable transmission design and a so-called downspeeding can be realized, in which also a lower specific fuel consumption can be achieved.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Brennkraftmaschinen, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern.Charging thus supports the constant effort in the development of internal combustion engines to minimize fuel consumption, d. H. to improve the efficiency of the internal combustion engine.
In der Regel wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich unter Energieabgabe in dieser Turbine, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird. Gegebenenfalls ist zusätzlich eine Ladeluftkühlung vorgesehen, mit der die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in die Zylinder gekühlt wird.As a rule, an exhaust gas turbocharger is used for the supercharging, in which a compressor and a turbine are arranged on the same shaft. The hot exhaust stream is supplied to the turbine and relaxes with energy release in this turbine, causing the shaft to rotate. The energy emitted by the exhaust gas flow to the turbine and finally to the shaft is used to drive the compressor, which is also arranged on the shaft. The compressor conveys and compresses the charge air supplied to it, whereby a charging of the cylinder is achieved. Optionally, a charge air cooling is additionally provided, with which the compressed charge air is cooled before entering the cylinder.
Der Vorteil eines Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader besteht darin, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine besteht bzw. erforderlich ist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht und somit die bereitgestellte Leistung mindert und auf diese Weise den Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.The advantage of an exhaust gas turbocharger, for example compared to a mechanical supercharger, is that there is no mechanical connection to the power transmission between the supercharger and the internal combustion engine. While a mechanical supercharger obtains the energy required for its drive completely from the internal combustion engine and thus reduces the power provided and thus adversely affects the efficiency, the exhaust gas turbocharger uses the exhaust gas energy of the hot exhaust gases.
Schwierigkeiten bereitet die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Bei mit einem Abgasturbolader aufgeladenen Brennkraftmaschinen wird bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl ein spürbarer Drehmomentabfall beobachtet. Dieser Effekt ist unerwünscht und zählt zu den Nachteilen der Abgasturboaufladung.The interpretation of the turbocharger turbocharger is difficult, with basically a noticeable increase in performance in all speed ranges is sought. When charged with an exhaust gas turbocharger internal combustion engines, a noticeable torque drop is observed when falling below a certain speed. This effect is undesirable and one of the disadvantages of turbocharging.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise die Motordrehzahl verringert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.This torque drop becomes understandable if it is taken into account that the boost pressure ratio depends on the turbine pressure ratio. For example, if the engine speed is reduced, this leads to a smaller exhaust gas mass flow and thus to a smaller turbine pressure ratio. As a result, at lower speeds, the boost pressure ratio also decreases, which is equivalent to a torque drop.
Die Drehmomentcharakteristik einer mittels Abgasturboaufladung aufgeladenen Brennkraftmaschine wird nach dem Stand der Technik durch unterschiedliche Maßnahmen zu verbessern versucht.The torque characteristic of a charged by turbocharging internal combustion engine is trying to improve the prior art by various measures.
Beispielsweise durch eine kleine Auslegung des Turbinenquerschnitts und gleichzeitiger Abgasabblasung. Eine derartige Turbine wird auch als Waste-Gate-Turbine bezeichnet. Überschreitet der Abgasmassenstrom eine kritische Größe wird ein Teil des Abgasstroms im Rahmen einer sogenannten Abgasabblasung mittels einer Bypassleitung an der Turbine vorbei geführt. Diese Vorgehensweise hat aber den Nachteil, dass das Aufladeverhalten bei höheren Drehzahlen unzureichend ist.For example, by a small design of the turbine cross-section and simultaneous Abgasabblasung. Such a turbine is also referred to as a waste gate turbine. If the exhaust gas mass flow exceeds a critical value, part of the exhaust gas flow is guided past the turbine by means of a bypass line by means of a bypass line. However, this approach has the disadvantage that the charging behavior at high speeds is insufficient.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann des Weiteren durch mehrere parallel angeordnete Turbolader, d. h. durch mehrere parallel angeordnete Turbinen von kleinerem Turbinenquerschnitt, verbessert werden, wobei mit steigender Abgasmenge Turbinen sukzessive zugeschaltet werden; ähnlich einer Registeraufladung.The torque characteristic of a supercharged internal combustion engine may be further characterized by a plurality of turbochargers arranged in parallel, i. H. be improved by a plurality of parallel turbines of smaller turbine cross-section, with successively switched turbines with increasing exhaust gas quantity; similar to a register charge.
Die Drehmomentcharakteristik kann auch mittels mehrerer in Reihe geschalteter Abgasturbolader vorteilhaft beeinflusst werden. Durch das in Reihe Schalten von zwei Abgasturboladern, von denen ein Abgasturbolader als Hochdruckstufe und ein Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient, kann das Verdichterkennfeld in vorteilhafter Weise aufgeweitet werden und zwar sowohl hin zu kleineren Verdichterströmen als auch hin zu größeren Verdichterströmen.The torque characteristic can also be advantageously influenced by means of a plurality of exhaust-gas turbochargers connected in series. By switching in series of two exhaust gas turbochargers, one of which is an exhaust gas turbocharger as a high pressure stage and an exhaust gas turbocharger as a low pressure stage, the compressor map can be widened in an advantageous manner, both towards smaller compressor streams as well as towards larger compressor streams.
Insbesondere ist bei dem als Hochdruckstufe dienenden Abgasturbolader ein Verschieben der Pumpgrenze hin zu kleineren Verdichterströmen möglich, wodurch auch bei kleinen Verdichterströmen hohe Ladedruckverhältnisse erzielt werden können, was die Drehmomentcharakteristik im unteren Drehzahlbereich deutlich verbessert. Erreicht wird dies durch eine Auslegung der Hochdruckturbine auf kleine Abgasmassenströme und Vorsehen einer Bypassleitung, mit der bei zunehmendem Abgasmassenstrom zunehmend Abgas an der Hochdruckturbine vorbeigeführt wird. Die Bypassleitung zweigt hierzu stromaufwärts der Hochdruckturbine vom Abgasabführsystem ab und mündet stromaufwärts der Niederdruckturbine wieder in das Abgasabführsystem. In der Bypassleitung ist ein Absperrelement angeordnet, um den an der Hochdruckturbine vorbeigeführten Abgasstrom zu steuern. Eine zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine der vorstehenden Art wird beispielweise in der europäischen Patentanmeldung
Auch die Brennkraftmaschine, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, verfügt über mindestens zwei in Reihe angeordnete Turbolader. The internal combustion engine, which is the subject of the present invention, has at least two turbochargers arranged in series.
Zwei in Reihe geschaltete Abgasturbolader bieten über das bereits Gesagte hinaus noch weitere Vorteile. Die Leistungssteigerung durch Aufladung kann weiter erhöht werden. Des Weiteren ist das Ansprechverhalten einer derart aufgeladenen Brennkraftmaschine, insbesondere im Teillastbereich, deutlich verbessert gegenüber einer vergleichbaren Brennkraftmaschine mit einstufiger Aufladung. Der Grund hierfür ist darin zu finden, dass die kleinere Hochdruckstufe weniger träge ist als ein im Rahmen einer einstufigen Aufladung verwendeter größerer Abgasturbolader, weil sich das Laufzeug bzw. Laufrad eines kleiner dimensionierten Abgasturboladers schneller beschleunigen und verzögern lässt.Two turbochargers connected in series offer even more advantages beyond those already mentioned. The increase in performance through charging can be further increased. Furthermore, the response of such a supercharged internal combustion engine, especially in the partial load range, significantly improved over a comparable internal combustion engine with single-stage supercharging. The reason for this is that the smaller high-pressure stage is less sluggish than a larger exhaust-gas turbocharger used in the context of a single-stage supercharger because the rotor or impeller of a smaller exhaust-gas turbocharger accelerates and decelerates faster.
Dies hat auch hinsichtlich der Partikelemissionen Vorteile. Bei einer Beschleunigung folgt die den Zylindern zu zuführende Luftmasse der erhöhten Kraftstoffmenge infolge der Trägheit der Laufräder grundsätzlich nur verzögert. Bei einem kleineren Hochdruckturbolader hingegen wird die Ladeluft nahezu verzögerungsfrei dem Motor zugeführt, weshalb Betriebszustände mit erhöhter Partikelemission nahezu vermieden werden.This also has advantages in terms of particle emissions. When accelerating, the air mass of the increased fuel quantity to be supplied to the cylinders basically only delays due to the inertia of the wheels. In contrast, with a smaller high-pressure turbocharger, the charge air is supplied to the engine almost instantaneously, which is why operating states with increased particle emission are virtually avoided.
Die Verwendung mehrerer Abgasturbolader hat aber auch Nachteile. Bei der Auslegung der Abgasturboaufladung ist man bemüht, die Turbine bzw. die Turbinen möglichst nahe am Auslass der Brennkraftmaschine, d. h. nahe der Auslassöffnungen der Zylinder, anzuordnen, um auf diese Weise die Abgasenthalpie der heißen Abgase, die maßgeblich vom Abgasdruck und der Abgastemperatur bestimmt wird, optimal nutzen zu können und ein schnelles Ansprechverhalten des Turboladers zu gewährleisten. Nicht nur der Weg der heißen Abgase zur Turbine verkürzt sich durch eine motornahe Anordnung, auch das Volumen des Abgasabführsystems stromaufwärts der Turbine nimmt ab. Die thermische Trägheit des Abgasabführsystems nimmt ebenfalls ab und zwar durch Reduzierung der Masse und der Länge des Teilstückes des Abgasabführsystems bis hin zur Turbine. Aus den vorstehend genannten Gründen werden die Turbinen in der Regel auslassseitig am Zylinderkopf angeordnet. Der Abgaskrümmer wird nach dem Stand der Technik häufig im Zylinderkopf integriert. Die Integration des Abgaskrümmers gestattet darüber hinaus ein dichtes Packaging der Antriebseinheit. Zudem kann von einer gegebenenfalls im Zylinderkopf vorgesehenen Flüssigkeitskühlung partizipiert werden, so dass der Krümmer nicht aus thermisch hoch belastbaren Werkstoffen gefertigt werden muss, die kostenintensiv sind. Bei einer zweistufigen Aufladung bereitet die motornahe Anordnung der Turbine der Niederdruckstufe Probleme.However, the use of multiple turbochargers also has disadvantages. When designing the exhaust turbocharger, efforts are made to arrange the turbine or turbines as close as possible to the outlet of the internal combustion engine, ie near the outlet openings of the cylinders, in order to determine the exhaust gas enthalpy of the hot exhaust gases, which is largely determined by the exhaust gas pressure and the exhaust gas temperature To be able to use optimally and to ensure a fast response of the turbocharger. Not only the way of the hot exhaust gases to the turbine is shortened by a close-coupled arrangement, also the volume of Abgasabführsystems upstream of the turbine decreases. The thermal inertia of the Abgasabführsystems also decreases by reducing the mass and the length of the portion of Abgasabführsystems to the turbine. For the reasons mentioned above, the turbines are usually arranged on the exhaust side of the cylinder head. The exhaust manifold is commonly used in the prior art Integrated cylinder head. The integration of the exhaust manifold also allows a dense packaging of the drive unit. In addition, it is possible to participate in a liquid cooling system, which may be provided in the cylinder head, so that the manifold does not have to be manufactured from materials capable of bearing high thermal loads, which are cost-intensive. In a two-stage supercharging prepares the close-coupled arrangement of the turbine of the low pressure stage problems.
Als problematisch erweist sich die Abgasturboaufladung auch in Kombination mit einer Abgasnachbehandlung. Eine zweistufig aufladbare Brennkraftmaschine mit Abgasnachbehandlung wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
Bei einer Ausführungsform gemäß der
Nachteilig an dem in der
Der aufgezeigte Konflikt zwischen Abgasturboaufladung und Abgasnachbehandlung kann nach dem Stand der Technik nicht aufgelöst werden.The indicated conflict between exhaust turbocharging and exhaust aftertreatment can not be resolved according to the prior art.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden und mit der insbesondere nach einem Kaltstart gleichzeitig hohe Ladedrücke generiert werden können und eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlungssysteme realisiert werden kann.Against this background, it is an object of the present invention to provide a supercharged internal combustion engine according to the preamble of
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine der oben genannten Art aufzuzeigen.Another object of the present invention is to provide a method of operating a supercharged internal combustion engine of the type mentioned above.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem zum Zuführen von Ladeluft und einem Abgasabführsystem zum Abführen von Abgas und mit mindestens zwei in Reihe geschalteten Abgasturboladern, die jeweils eine im Abgasabführsystem angeordnete Turbine und einen im Ansaugsystem angeordneten Verdichter umfassen und von denen ein erster Abgasturbolader als Niederdruckstufe dient und ein zweiter Abgasturbolader als Hochdruckstufe dient, wobei
- – die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers stromaufwärts der ersten Turbine des ersten Abgasturboladers angeordnet ist und der zweite Verdichter des zweiten Abgasturboladers stromabwärts des ersten Verdichters des ersten Abgasturboladers angeordnet ist,
- – eine erste Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt,
- – eine zweite Bypassleitung vorgesehen ist, die stromaufwärts der zweiten Turbine vom Abgasabführsystem abzweigt und die zwischen der ersten Turbine und der zweiten Turbine wieder in das Abgasabführsystem einmündet und in der ein Absperrelement angeordnet ist,
- – eine dritte Bypassleitung vorgesehen ist, die zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter unter Ausbildung eines zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet und in der ein weiteres Absperrelement angeordnet ist,
- – stromabwärts der Turbinen mindestens ein Abgasnachbehandlungssystem im Abgasabführsystem vorgesehen ist, und
- – eine Abgasrückführung vorgesehen ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass
- – am ersten Knotenpunkt ein Ventil im Abgasabführsystem angeordnet ist, und
- – im Ansaugsystem zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ein Ladeluftkühler angeordnet ist.
- The second turbine of the second exhaust gas turbocharger is arranged upstream of the first turbine of the first exhaust gas turbocharger and the second compressor of the second exhaust gas turbocharger is arranged downstream of the first compressor of the first exhaust gas turbocharger
- A first bypass line is provided which branches off between the first turbine and the second turbine to form a first node from the exhaust gas removal system,
- A second bypass line is provided, which branches off from the exhaust gas removal system upstream of the second turbine and which opens again into the exhaust gas discharge system between the first turbine and the second turbine and in which a shut-off element is arranged,
- A third bypass line is provided which opens into the intake system between the first compressor and the second compressor to form a second node and in which a further shut-off element is arranged,
- - At least one exhaust aftertreatment system is provided in the Abgasabführsystem downstream of the turbines, and
- - An exhaust gas recirculation is provided, and which is characterized in that
- - At the first node, a valve in the Abgasabführsystem is arranged, and
- - In the intake between the first compressor and the second compressor, a charge air cooler is arranged.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit zwei in Reihe schaltbaren, im Abgasabführsystem in Reihe angeordneten Turbinen und zwei in Reihe schaltbaren, im Ansaugsystem in Reihe angeordneten Verdichtern ausgestattet.The internal combustion engine according to the invention is equipped with two series-connected turbines arranged in series in the exhaust-gas removal system and two compressors which can be switched in series and are arranged in series in the intake system.
Vorteilhaft sind daher Ausführungsformen, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter, weil bei dieser Ausgestaltung der Brennkraftmaschine bzw. der Aufladung der erste Verdichter im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung die Niederdruckstufe bildet, wohingegen der zweite Verdichter die bereits vorverdichtete Luft komprimiert und somit die Hochdruckstufe darstellt. Advantageously, therefore, embodiments in which the first compressor is designed to be larger than the second compressor, because in this embodiment of the internal combustion engine or charging the first compressor as part of a two-stage compression forms the low-pressure stage, whereas the second compressor compresses the already pre-compressed air and thus represents the high-pressure stage.
Aus demselben Grund sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine. Denn die zweite Turbine dient im Rahmen einer zweistufigen Aufladung als Hochdruckturbine, während sich in der ersten Turbine ein Abgasstrom entspannt, der bereits infolge des Durchlaufens der Hochdruckstufe einen geringeren Druck und eine geringere Dichte aufweist.For the same reason, embodiments are advantageous in which the first turbine is designed to be larger than the second turbine. Because the second turbine is used as a high-pressure turbine in the context of a two-stage charge, while in the first turbine relaxes an exhaust gas flow, which already has a lower pressure and a lower density as a result of passing through the high-pressure stage.
Erfindungsgemäß verfügen sowohl die Turbine der Hochdruckstufe als auch die Turbine der Niederdruckstufe über eine Bypassleitung, über welche Abgas an der jeweiligen Turbine vorbei geleitet werden kann.According to the invention, both the turbine of the high-pressure stage and the turbine of the low-pressure stage have a bypass line via which exhaust gas can be conducted past the respective turbine.
Während der Warmlaufphase wird der Abgasstrom, vorzugsweise der gesamte Abgasstrom, durch die zweite Turbine, d. h. durch die Turbine der Hochdruckstufe, geführt und stromabwärts der zweiten Turbine via erster Bypassleitung, die stromaufwärts der ersten Turbine unter Ausbildung eines ersten Knotenpunktes vom Abgasabführsystem abzweigt, an der ersten Turbine vorbei und vorzugsweise wieder in das Abgasabführsystem geleitet.During the warm-up phase, the exhaust gas flow, preferably the entire exhaust gas flow, through the second turbine, i. H. passed through the turbine of the high-pressure stage, and downstream of the second turbine via the first bypass line, which branches off from the Abgasabführsystem upstream of the first turbine to form a first node, passed the first turbine and preferably returned to the Abgasabführsystem.
Wird der Abgasstrom in der Warmlaufphase durch die kleinere zweite Turbine geführt, kann ein ausreichend hoher Ladedruck erzeugt werden. Gleichzeitig wird durch Umgehung der ersten Turbine die größere als Temperatursenke anzusehende Turbine eliminiert und das heiße Abgas dem mindestens einen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt, weshalb dieses System nach einem Kaltstart bzw. in der Warmlaufphase schneller seine Anspringtemperatur erreicht.If the exhaust gas flow in the warm-up phase through the smaller second turbine, a sufficiently high boost pressure can be generated. At the same time, by bypassing the first turbine, the larger turbine to be regarded as a temperature sink is eliminated and the hot exhaust gas is fed to the at least one exhaust aftertreatment system, which is why this system reaches its light-off temperature faster after a cold start or in the warm-up phase.
An dem ersten Knotenpunkt, an welchem die erste Bypassleitung von dem Abgasabführsystem abzweigt, ist ein Ventil angeordnet, welches in der Warmlaufphase gemäß einer ersten Arbeitsposition das Abgasabführsystem zur ersten Turbine versperrt und die erste Bypassleitung freigibt, so dass der Abgasstrom an der größeren ersten Turbine vorbei geführt wird. Dies ist ein entscheidender Vorteil im Vergleich zu herkömmlichen Ausführungsformen, bei denen das Ventil in der Bypassleitung selbst angeordnet ist und bei geöffnetem Ventil weiter Abgas in die Turbine der Niederdruckstufe strömen kann. Zwar bildet die Turbine der Niederdruckstufe auch dann einen gewissen Strömungswiderstand. At the first node, at which the first bypass line branches off from the exhaust gas removal system, a valve is arranged, which blocks the Abgasabführsystem to the first turbine and releases the first bypass line in the warm-up phase according to a first operating position, so that the exhaust gas flow past the larger first turbine to be led. This is a significant advantage compared to conventional embodiments in which the valve is arranged in the bypass line itself and, with the valve open, further exhaust gas can flow into the turbine of the low-pressure stage. Although the turbine of the low-pressure stage forms a certain flow resistance even then.
Nichtsdestotrotz strömt ein Teil des Abgasstroms durch die größere erste Turbine. Dieser Teilstrom ist aber bei den hier betrachteten Betriebsmodi prozentual ein nicht unerheblicher Teil des Gesamtabgasstroms, der dann dem Abgasnachbehandlungssystem nach einem Kaltstart nicht direkt zur Aufheizung zur Verfügung steht.Nonetheless, part of the exhaust flow passes through the larger first turbine. However, this partial flow is a not inconsiderable percentage of the total exhaust gas flow in the operating modes considered here, which is then not directly available to the exhaust aftertreatment system after a cold start for heating.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, mit der nach einem Kaltstart hohe Ladedrücke generiert werden können und gleichzeitig eine schnelle Aufheizung der Abgasnachbehandlungssysteme realisiert werden kann.With the internal combustion engine according to the invention, the first object underlying the invention is achieved, namely provided a supercharged internal combustion engine according to the preamble of
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist mit einer Abgasrückführung ausgestattet, die eine Leitung umfasst, welche vom Abgasabführsystem abzweigt und in das Ansaugsystem mündet, um Abgas zurückzuführen.The internal combustion engine according to the invention is equipped with an exhaust gas recirculation, which comprises a line which branches off from the exhaust gas discharge system and opens into the intake system to recirculate exhaust gas.
Um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten, wird zunehmend häufig eine Abgasrückführung eingesetzt, d. h. die Rückführung von Abgasen aus dem Abgasabführsystem in das Ansaugsystem, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate xAGR bestimmt sich dabei zu xAGR = mAGR/(mAGR + mFrischluft), wobei mAGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und mFrischluft die zugeführte – gegebenenfalls durch einen Verdichter geführte und komprimierte – Frischluft bzw. Verbrennungsluft bezeichnet. Die Abgasrückführung eignet sich auch zur Reduzierung der Emissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen im Teillastbereich.To meet future limits for nitrogen oxide emissions, an exhaust gas recirculation is increasingly used, ie the return of exhaust gases from the Abgasabführsystem in the intake system, in which the nitrogen oxide emissions can be significantly reduced with increasing exhaust gas recirculation rate. In this case, the exhaust gas recirculation rate x AGR is determined as x AGR = m AGR / (m AGR + m fresh air ), where m AGR denotes the mass of recirculated exhaust gas and m fresh air the supplied fresh air or combustion air, possibly guided and compressed by a compressor. Exhaust gas recirculation is also suitable for reducing emissions of unburned hydrocarbons in the partial load range.
Das mindestens eine Abgasnachbehandlungssystem kann ein Oxidationskatalysator, ein Dreiwegekatalysator, ein Speicherkatalysator, ein selektiver Katalysator und/oder ein Partikelfilter sein.The at least one exhaust aftertreatment system may be an oxidation catalyst, a three-way catalyst, a storage catalyst, a selective catalyst, and / or a particulate filter.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil gemäß einer zweiten Arbeitsposition das Abgasabführsystem zur ersten Turbine freigibt und die erste Bypassleitung versperrt.Embodiments in which the valve arranged at the first node is advantageous according to a second operating position releases the exhaust-gas removal system to the first turbine and obstructs the first bypass line.
Vorzugsweise wird die Brennkraftmaschine dann entweder gemäß einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig oder gemäß einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung des ersten Abgasturboladers und des zweiten Abgasturboladers zweistufig aufgeladen.Preferably, the internal combustion engine is then charged in two stages either according to a first operating mode using the second exhaust gas turbocharger in one stage or according to a second operating mode using the first exhaust gas turbocharger and the second exhaust gas turbocharger.
Im ersten Betriebsmodus befindet sich das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil dann in der ersten Arbeitsposition, wohingegen sich das Ventil im zweiten Betriebsmodus in der zweiten Arbeitsposition befindet.In the first mode of operation, the valve located at the first node is then in the first working position, whereas the valve is in the second operating position in the second operating mode.
Erfindungsgemäß ist zwischen den Verdichtern ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet. Der Ladeluftkühler senkt im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung die Temperatur der in der Niederdruckstufe komprimierten Ladeluft und steigert damit die Dichte der Ladeluft, wodurch die Verdichtung in der Hochdruckstufe verbessert wird und die Austrittstemperatur der Hochdruckstufe bei gleichem Gesamtdruckverhältnis der Aufladegruppe abgesenkt werden kann. Dies bietet auch einen Schutz vor thermischer Überbeanspruchung. Mittels Ladeluftkühler lässt sich aber auch das Gesamtdruckverhältnis der Verdichtergruppe steigern und damit die Leistung weiter erhöhen, d. h. die Leistungssteigerung weiter vorantreiben.According to the invention, a charge air cooler is arranged in the intake system between the compressors. The intercooler lowers the temperature of the charge air compressed in the low-pressure stage as part of a two-stage compression and thus increases the density of the charge air, whereby the compression in the high pressure stage is improved and the outlet temperature of the high pressure stage can be lowered at the same total pressure ratio of the Aufladegruppe. This also provides protection against thermal overload. By means of intercooler but can also increase the total pressure ratio of the compressor group and thus further increase the performance, d. H. to further boost performance.
Der erfindungsgemäß zwischen den Verdichtern angeordnete Ladeluftkühler eröffnet zudem die Möglichkeit, eine Bypassleitung, die nach dem Stand der Technik zwingend am Hochdruckverdichter vorzusehen ist, wegzulassen, d. h. zu eliminieren. Eine derartige Bypassleitung ist erfindungsgemäß nicht erforderlich. Entweder komprimiert der Hochdruckverdichter kleinere Ladeluftmengen im Rahmen einer einstufigen Verdichtung oder aber größere Ladeluftmengen im Rahmen einer zweistufigen Verdichtung, wobei größere Ladeluftmengen in der Niederdruckstufe vorkomprimiert und im Ladeluftkühler zwischengekühlt werden, bevor die auf diese Weise vorbehandelte Ladeluft in die zweite Verdichterstufe, d. h. den zweiten Verdichter eintritt. Ein Umgehen des zweiten Verdichters wird in keinem dieser beiden Betriebsmodi erforderlich. Ein dichtes Packaging der Aufladung bzw. der gesamten Antriebseinheit wird möglich.The intercooler according to the invention arranged between the compressors also opens up the possibility of omitting a bypass line, which according to the prior art is mandatory to be provided on the high-pressure compressor, d. H. to eliminate. Such a bypass line is not required according to the invention. Either the high-pressure compressor compresses smaller amounts of charge air in the context of a single-stage compression or larger charge air quantities in the context of a two-stage compression, with larger charge air quantities are precompressed in the low-pressure stage and intercooled in the intercooler before the pre-treated charge air in the second compressor stage, d. H. the second compressor enters. Bypassing the second compressor is not required in any of these two modes of operation. A dense packaging of the charge or the entire drive unit is possible.
Ein Betriebsmodus, in dem Ladeluft im Rahmen einer einstufigen Verdichtung in der Niederdruckstufe komprimiert und anschließend an dem Hochdruckverdichter via Bypassleitung vorbeigeführt wird, ist nicht erforderlich und erfindungsgemäß vorzugsweise auch nicht vorgesehen. Insofern entfällt auch ein Überführen der Brennkraftmaschine bzw. der Aufladung in diesen Betriebsmodus. Ein unerwünschter Drehmomentabfall, der üblicherweise bei einem derartigen Überführen auftreten würde, entfällt mit dem Überführvorgang.An operating mode in which charge air is compressed in the low-pressure stage as part of a single-stage compression and then bypassed via the bypass line at the high-pressure compressor is not necessary and preferably also not provided according to the invention. In this respect also eliminates a transfer of the internal combustion engine or the charge in this mode of operation. An unwanted torque drop, which would normally occur in such a transfer, is eliminated with the transfer operation.
Insofern verfügt die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch über eine verbesserte Drehmomentcharakteristik und ein grundsätzlich verbessertes Betriebsverhalten. Im Einzelfall kann die Brennkraftmaschine bei höheren Lasten über die gesamte Drehzahlbreite zweistufig gemäß dem zweiten Betriebsmodus aufgeladen und betrieben werden.In this respect, the internal combustion engine according to the invention also has an improved torque characteristic and a fundamentally improved operating behavior. In individual cases, the internal combustion engine can be charged and operated in two stages at higher loads over the entire speed range according to the second operating mode.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.Further advantageous embodiments of the internal combustion engine according to the invention are discussed in connection with the subclaims.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil am ersten Knotenpunkt ein 3-2-Wege-Ventil ist, d. h. ein Ventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltpositionen.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the valve at the first node is a 3-2-way valve, d. H. a valve with three connections and two switching positions.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil am ersten Knotenpunkt eine verschwenkbare Klappe ist.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the valve at the first node is a pivotable flap.
Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Klappe ausgehend von einer versperrten ersten Bypassleitung beim Freigeben der ersten Bypassleitung gegen die Abgasströmung verschwenkbar ist. Dann wird die Klappe, falls diese defekt ist, vom Abgasstrom in die Stellung geschwenkt, in der die erste Bypassleitung versperrt ist, und beide Turbinen werden vom Abgas durchströmt.In this connection, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the flap is pivotable against the exhaust gas flow starting from an obstructed first bypass line when the first bypass line is released are advantageous. Then, the flap, if it is defective, pivoted from the exhaust gas flow into the position in which the first bypass line is blocked, and both turbines are flowed through by the exhaust gas.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Ventil elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar ist, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the valve is electrically, hydraulically, pneumatically, mechanically or magnetically controlled, preferably by means of motor control.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung stromabwärts der ersten Turbine wieder in das Abgasabführsystem mündet.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first bypass line downstream of the first turbine again opens into the exhaust gas removal system are advantageous.
Dass die erste Bypassleitung wieder in das Abgasabführsystem mündet, hat den Vorteil, dass dann das gesamte Abgas dem mindestens einen im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystem zugeführt werden kann.The fact that the first bypass line opens again into the exhaust-gas removal system has the advantage that the entire exhaust gas can then be supplied to the at least one exhaust-gas aftertreatment system provided in the exhaust-gas removal system.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Bypassleitung stromaufwärts des mindestens einen im Abgasabführsystem vorgesehenen Abgasnachbehandlungssystems wieder in das Abgasabführsystem mündet.Therefore, embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first bypass line upstream of the at least one exhaust aftertreatment system provided in the exhaust-gas removal system again opens into the exhaust-gas removal system are also advantageous.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der ersten Bypassleitung mindestens ein weiteres Abgasnachbehandlungssystem vorgesehen ist. Dieses weitere Abgasnachbehandlungssystem ist in der Regel näher am Auslass der Brennkraftmaschine platziert als das mindestens eine im Abgasabführsystem vorgesehene Abgasnachbehandlungssystem. Daher erreicht dieses weitere Abgasnachbehandlungssystem nach einem Kaltstart schneller die erforderliche Anspringtemperatur. Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which at least one further exhaust aftertreatment system is provided in the first bypass line are advantageous. This further exhaust gas aftertreatment system is generally placed closer to the outlet of the internal combustion engine than the at least one exhaust aftertreatment system provided in the exhaust gas removal system. Therefore, this further exhaust aftertreatment system achieves the required light-off temperature faster after a cold start.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Bypassleitung stromaufwärts des ersten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the second bypass line upstream of the first node again opens into the Abgasabführsystem.
Ist das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil dann in seiner ersten Arbeitsposition, in der die erste Bypassleitung freigegeben und das Abgasabführsystem zur ersten Turbine versperrt ist, wird die Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig aufgeladen, wobei das gesamte Abgas die erste Bypassleitung passiert und kein Abgas zur ersten Turbine geleitet wird.If the valve arranged at the first node is then in its first operating position in which the first bypass line is released and the exhaust-gas removal system is blocked to the first turbine, the internal combustion engine is charged in one stage using the second exhaust-gas turbocharger according to a first operating mode, the entire exhaust gas being the first bypass line happens and no exhaust gas is routed to the first turbine.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen die zweite Bypassleitung stromabwärts des ersten Knotenpunktes wieder in das Abgasabführsystem einmündet.But can also be advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the second bypass line downstream of the first node opens again into the Abgasabführsystem.
Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform kann der ersten Turbine auch dann Abgas zugeführt werden, wenn das am ersten Knotenpunkt angeordnete Ventil gemäß seiner ersten Arbeitsposition das Abgasabführsystem zur ersten Turbine versperrt, nämlich indem die zweite Bypassleitung durch Öffnen des Absperrelements freigegeben wird. Auf diese Weise kann die erste Turbine auf einer vorgebbaren Mindestdrehzahl gehalten werden, wodurch das Ansprechverhalten der Aufladung verbessert wird.In contrast to the previous embodiment, the exhaust gas can also be supplied to the first turbine when the valve arranged at the first node blocks the exhaust gas removal system to the first turbine according to its first operating position, namely by the second bypass line being released by opening the shut-off element. In this way, the first turbine can be maintained at a predetermined minimum speed, whereby the response of the charge is improved.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die dritte Bypassleitung stromaufwärts des ersten Verdichters vom Ansaugsystem abzweigt.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the third bypass line branches off upstream of the first compressor from the intake system.
Diese Bypassleitung kann zwar grundsätzlich auch der Ladeluftabblasung dienen, wodurch die im ersten Verdichter komprimierte Ladeluft zurückgeführt wird. Zur Steuerung der abgeblasenen bzw. rückgeführten Ladeluft ist ein weiteres Absperrelement in der dritten Bypassleitung vorgesehen.Although this bypass line can basically also serve the charge air blow, whereby the charge air compressed in the first compressor is returned. To control the blown or recycled charge air, a further shut-off element is provided in the third bypass line.
Die dritte Bypassleitung kann aber auch zum Ansaugen von Frischluft dienen und zwar in den Fällen, in denen kaum bzw. kein Abgas die erste große Turbine durchströmt und daher die zweite, kleinere Turbine die Verdichterarbeit leistet. Dann stellt der erste Verdichter lediglich einen Strömungswiderstand für die vom zweiten Verdichter angesaugte Frischluft dar. Eine Bypassleitung gestattet dann die Umgehung des ersten Verdichters und damit eine Entdrosselung des Ansaugsystems.However, the third bypass line can also serve for the intake of fresh air and indeed in those cases where hardly or no exhaust gas flows through the first large turbine and therefore makes the second, smaller turbine the compressor work. Then, the first compressor is only a flow resistance for the fresh air sucked in by the second compressor. A bypass line then allows the bypassing of the first compressor and thus a dethrottling of the intake system.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die dritte Bypassleitung zwischen dem Ladeluftkühler und dem zweiten Verdichter unter Ausbildung des zweiten Knotenpunktes in das Ansaugsystem einmündet.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the third bypass line between the intercooler and the second compressor opens to form the second node in the intake system.
Dann wird die Ladeluft im Rahmen der einstufigen Verdichtung vor Eintritt in den Hochdruckverdichter nicht gekühlt, sondern nur im Rahmen der zweistufigen Verdichtung zwischen den Verdichtern.Then, the charge air is not cooled in the context of single-stage compression before entering the high-pressure compressor, but only in the context of two-stage compression between the compressors.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter größer ausgelegt ist als der zweite Verdichter.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the first compressor is designed to be larger than the second compressor.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine größer ausgelegt ist als die zweite Turbine.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the first turbine is designed to be larger than the second turbine.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die zweite Turbine des zweiten Abgasturboladers eine variable Turbinengeometrie aufweist.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the second turbine of the second exhaust gas turbocharger has a variable turbine geometry are advantageous.
Eine variable Turbinengeometrie erhöht die Flexibilität der Aufladung. Sie gestattet eine stufenlose Anpassung der Turbinengeometrie an den jeweiligen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bzw. an den momentanen Abgasmassenstrom. Im Gegensatz zu einer Turbine mit fester Geometrie kann in einem weiten Drehzahl- bzw. Lastbereich eine mehr oder weniger zufriedenstellende Aufladung realisiert werden.A variable turbine geometry increases the flexibility of charging. It allows a stepless adjustment of the turbine geometry to the respective operating point of the internal combustion engine or to the current exhaust gas mass flow. In contrast to a turbine with a fixed geometry, a more or less satisfactory charge can be realized in a wide speed or load range.
Insbesondere gestattet die Kombination aus Turbine mit variabler Turbinengeometrie und einer diese Turbine umgehenden zweiten Bypassleitung die Auslegung der Hochdruckturbine auch auf kleine Abgasmassenströme und damit auf den unteren Teillastbereich. Folglich können auch bei niedrigen Drehzahlen bzw. auch bei sehr geringen Abgasmassenströmen hohe Turbinendruckverhältnisse erzielt werden.In particular, the combination of turbine with variable turbine geometry and a second bypass line bypassing this turbine allows the design of the high-pressure turbine even for small exhaust gas mass flows and thus to the lower part-load range. Consequently, high turbine pressure ratios can be achieved even at low speeds or even at very low exhaust gas mass flows.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts der Verdichter ein weiterer Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet ist. Der weitere Ladeluftkühler senkt die Lufttemperatur und steigert damit die Dichte der abschließend komprimierten Luft, wodurch der weitere Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Luft, d. h. zu einer größeren Luftmasse beiträgt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a further intercooler in the intake system is arranged downstream of the compressor are advantageous. The further intercooler lowers the air temperature and thus increases the density of the finally compressed air, whereby the further radiator to a better filling of the combustion chamber with air, d. H. contributes to a larger air mass.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen keine Bypassleitung vorgesehen ist, welche den zweiten Verdichter umgeht.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which no bypass line is provided, which bypasses the second compressor.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die erste Turbine eine feste, nicht veränderbare Turbinengeometrie aufweist. Diese Ausführungsform hat insbesondere Kostenvorteile. Einerseits entfällt bei dieser Turbinenbauweise die komplexe und kostenintensive Verstellmechanik. Andererseits ist prinzipbedingt keine Steuerung der Turbine notwendig.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first turbine has a fixed, unchangeable, are advantageous Turbine geometry has. This embodiment has particular cost advantages. On the one hand eliminates the complex and costly adjustment mechanism in this turbine design. On the other hand, in principle no control of the turbine is necessary.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der erste Verdichter eine feste, nicht veränderbare Verdichtergeometrie aufweist. Verdichter mit fester Geometrie weisen aus denselben Gründen wie Turbinen mit fester Geometrie, nämlich aufgrund der einfacheren Bauweise, Kostenvorteile auf.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which the first compressor has a fixed, unchangeable compressor geometry are advantageous. Solid geometry compressors have cost advantages for the same reasons as fixed geometry turbines, due to their simpler construction.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen die Leitung zur Abgasrückführung stromabwärts eines Ladeluftkühlers in das Ansaugsystem mündet. Auf diese Weise wird der Abgasstrom nicht durch den Ladeluftkühler geführt und kann folglich diesen Kühler nicht durch Ablagerungen von im Abgasstrom enthaltenen Schadstoffen, insbesondere Rußpartikeln und Öl, verschmutzen.Advantageous embodiments of the supercharged internal combustion engine, in which the line for exhaust gas recirculation opens downstream of a charge air cooler in the intake system. In this way, the exhaust gas flow is not passed through the intercooler and consequently can not pollute this radiator by deposits of pollutants contained in the exhaust stream, in particular soot particles and oil.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein zusätzlicher Kühler vorgesehen ist. Dieser zusätzliche Kühler senkt die Temperatur im heißen Abgasstrom und steigert damit die Dichte der Abgase. Die Temperatur der Zylinderfrischladung, die sich bei der Mischung der Ladeluft mit den rückgeführten Abgasen einstellt, wird hierdurch folglich weiter gesenkt, wodurch auch der zusätzliche Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums mit Frischgemisch beiträgt.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which an additional cooler is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This additional cooler lowers the temperature in the hot exhaust gas flow and thus increases the density of the exhaust gases. The temperature of the cylinder fresh charge, which occurs during the mixing of the charge air with the recirculated exhaust gases, is consequently further reduced, whereby the additional radiator contributes to a better filling of the combustion chamber with fresh mixture.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Leitung zur Abgasrückführung ein Absperrelement vorgesehen ist. Dieses Absperrelement dient der Steuerung der Abgasrückführrate.Embodiments of the supercharged internal combustion engine in which a shut-off element is provided in the line for exhaust gas recirculation are advantageous. This shut-off element is used to control the exhaust gas recirculation rate.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von xAGR ≈ 60% bis 70% liegen können.In order to achieve a significant reduction in nitrogen oxide emissions, high exhaust gas recirculation rates are required, which can be on the order of x EGR ≈ 60% to 70%.
Dadurch ergibt sich aber ein Konflikt beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Abgasrückführung, wenn das rückgeführte Abgas gemäß einer Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht. Anhand einer einstufig aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader lässt sich dieser Konflikt leicht verdeutlichen.However, this results in a conflict in the operation of an internal combustion engine with exhaust gas turbocharging and simultaneous use of exhaust gas recirculation, when the recirculated exhaust gas is removed according to a high-pressure EGR upstream of the turbine from the Abgasabführsystem and is no longer available for driving the turbine. Based on a single-stage supercharged internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger, this conflict can be easily clarified.
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt gleichzeitig der verbleibende der Turbine zugeführte Abgasstrom ab. Der kleinere Abgasmassenstrom durch die Turbine führt zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Mit abnehmendem Turbinendruckverhältnis nimmt das Ladedruckverhältnis ebenfalls ab, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Verdichters hinsichtlich der Pumpgrenze des Verdichters einstellen.With an increase in the exhaust gas recirculation rate, the remaining exhaust gas flow supplied to the turbine simultaneously decreases. The smaller exhaust gas mass flow through the turbine leads to a smaller turbine pressure ratio. With decreasing turbine pressure ratio, the boost pressure ratio also decreases, which is synonymous with a smaller compressor mass flow. In addition to decreasing boost pressure, additional compressor operation problems may arise with regard to the surge limit of the compressor.
Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, eine Niederdruck-AGR vorzusehen, gegebenenfalls zusätzlich zu einer Hochdruck-AGR.For this reason, it may be advantageous to provide a low pressure EGR, optionally in addition to a high pressure EGR.
Vorteilhaft können dennoch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen eine Hochdruck-AGR vorgesehen ist.Nevertheless, embodiments of the supercharged internal combustion engine can be advantageous, in which a high-pressure EGR is provided.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Brennkraftmaschine entweder gemäß einem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig aufgeladen wird oder gemäß einem zweiten Betriebsmodus unter Verwendung des ersten Abgasturboladers und des zweiten Abgasturboladers zweistufig aufgeladen wird.The second sub-problem underlying the invention is achieved by a method which is characterized in that the internal combustion engine is either charged in one stage using the second exhaust gas turbocharger according to a first operating mode or charged in two stages according to a second operating mode using the first exhaust gas turbocharger and the second exhaust gas turbocharger becomes.
Das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine Gesagte gilt ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren.The comments made in connection with the internal combustion engine according to the invention also apply to the inventive method.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen in der Warmlaufphase die erste Bypassleitung freigegeben wird und ein Abgasstrom zur ersten Turbine via der zweiten Turbine unterbunden wird, wobei die Brennkraftmaschine gemäß dem ersten Betriebsmodus unter Verwendung des zweiten Abgasturboladers einstufig aufgeladen wird.Advantageous are process variants in which in the warm-up phase, the first bypass line is released and an exhaust gas flow to the first turbine via the second turbine is inhibited, wherein the internal combustion engine is charged in one stage according to the first operating mode using the second exhaust gas turbocharger.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß den
Die Brennkraftmaschine
Der erste Verdichter
Aus demselben Grund ist die erste Turbine
Im Ansaugsystem
Stromabwärts der Turbinen
Bei der in
Die zweite Turbine
Der erste Verdichter
Die Brennkraftmaschine
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- aufgeladene Brennkraftmaschine charged internal combustion engine
- 22
- Ansaugsystem intake system
- 33
- Zylinder cylinder
- 44
- Abgasabführsystem, Gesamtabgasleitung Exhaust system, total exhaust gas line
- 5a5a
- Ladeluftkühler Intercooler
- 5b5b
- weiterer Ladeluftkühler further intercooler
- 66
- erster Abgasturbolader, Niederdruckstufe first exhaust gas turbocharger, low-pressure stage
- 6a6a
- erste Turbine first turbine
- 6b6b
- erster Verdichter first compressor
- 77
- zweiter Abgasturbolader, Hochdruckstufe second turbocharger, high-pressure stage
- 7a7a
- zweite Turbine second turbine
- 7b7b
- zweiter Verdichter second compressor
- 8a8a
- erster Knotenpunkt first node
- 8b8b
- zweiter Knotenpunkt second node
- 99
- Ventil, 2-3-Wege-Ventil Valve, 2-3 way valve
- 1010
- dritte Bypassleitung third bypass line
- 1111
- weiteres Absperrelement further shut-off element
- 1212
- zweite Bypassleitung second bypass line
- 1313
- Absperrelement shut-off
- 1414
- erste Bypassleitung first bypass line
- 1515
- Abgasnachbehandlungssystem aftertreatment system
- AA
- erster Betriebsmodus, einstufige Aufladung first operating mode, single-stage charging
- BB
- zweiter Betriebsmodus, zweistufige Aufladung second operating mode, two-stage charging
- nmot n mot
- Motordrehzahl Engine speed
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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-
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