DE10158535A1

DE10158535A1 - Steuerungsvorrichtung für einen mechanischen Lader

Info

Publication number: DE10158535A1
Application number: DE2001158535
Authority: DE
Inventors: Kai Lehmann; Ulrich Stubbemann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2003-06-12

Abstract

Eine Steuerungsvorrichtung für einen mechanischen Lader, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, weist ein Verdichtergehäuse mit einer Druckkammer, einer Saugkammer und Arbeitskammern auf. Zur Rückführung eines Arbeitsmediums von der Druckkammer in die Saugkammer ist ein Bypasskanal vorgesehen. Das Verdichtergehäuse weist wenigstens zwei Steuerventile auf, die den Liefergrad des Laders steuern. Ein erstes Steuerventil steuert dabei ein Einfüllen und/oder Nachfüllen des Arbeitsmediums in die Arbeitskammer und ein zweites Steuerventil ein Ablassen des Arbeitsmediums.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für einen mechanischen Lader, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine gattungsgemäße Steuerungsvorrichtung ist aus der EP 0 392 231 A3 bekannt.

Bei einem Betrieb von mechanischen Ladern an Verbrennungsmotoren ist insbesondere im Teillastbereich ein energetisch effizienter Betrieb des Laders wichtig, da die Steuerung des Laders in diesem Bereich den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors wesentlich beeinflußt. Somit hängt der Kraftstoffverbrauch von der Wirkungsweise der Steuerorgane sowie der Regelstrategie zu deren Ansteuerung ab.

Bekannte Verbrennungsmotoren mit mechanischer Aufladung treiben den Lader mit einer konstanten Übersetzung zur Kurbelwelle an. Die Übersetzung ist dabei auf Vollast ausgelegt und fördert in allen anderen Betriebszuständen in nachteilhafter Weise zuviel Luft, die meist durch eine externe Bypaßleitung abgeregelt wird. Von Nachteil ist dabei auch der für das interne Verdichten der Luft notwendige Energiebedarf. Die für die Förderung und Verdichtung notwendige Energie schlägt sich direkt im Kraftstoffverbrauch nieder.

Eine derartige Steuerungsvorrichtung ist aus der US 5,752,806 bekannt, bei der die Druckkammer und die Saugkammer durch einen mit einem Ventil versehenen Kanal (Bypaß) verbindbar sind. Im Teillastbereich, d. h. wenn der Verbrennungsmotor niedrigere Drücke benötigt, kann das Ventil entsprechend geöffnet werden, so daß Druck von der Druckkammer abgebaut werden kann. In energetisch nachteilhafter Weise wird allerdings die Luft mit einem entsprechenden Energieaufwand verdichtet und befördert um anschließend durch einen sogenannten Druckimpuls wieder abgebaut zu werden. Somit ist eine entsprechend hohe Antriebsleistung für den Lader notwendig.

Von Nachteil ist außerdem, daß die Luft stark erhitzt wird und daß aufgrund der Druckdifferenzen zwischen der sich öffnenden Verdichtungskammer und der Druckkammer Druckstöße entstehen, die wiederum das Geräuschverhalten des Laders negativ beeinflussen und Energie kosten. Die energetisch ungünstige Mehrförderung bei Teillast hebt direkt den Reibmitteldruck und somit den Kraftstoffverbrauch an.

Aus der Praxis bekannt sind Kupplungen, mit denen die Lader im Teilastbereich vom Antrieb getrennt werden. Eine derartige Trennung ist allerdings nur bei niedriger Last und geringer Drehzahl möglich. Ein energetisch effizienter Betrieb des Laders bei Teillast bzw. eine Anpassung der Ladercharakteristik an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors ist dadurch allerdings nicht möglich.

Zum Druckausgleich bzw. zur Geräuschminderung sieht die gattungsgemäße Schrift, die EP 0 392 231 A3, zwischen der inneren Kammer des Laders und der Druckkammer einen Voreinlaß vor. Die dargestellte Steuerungsvorrichtung für einen Drehkolbenverdichter enthält ein Gehäuse und eine Druckkammer, in welche ein Kanal mündet. Der Kanal ist mit einer Rückführungsleitung verbindbar, welche in eine Einlaßkammer mündet. Der Kanal steht dabei mit einem mit Ausnehmungen versehenen Drehschieber in Verbindung. Über diese Ausnehmungen ist entsprechend der Drehwinkelstellung des Drehschiebers der Kanal mit dem Voreinlaß und/oder der Rückführleitung verbindbar.

Der in der gattungsgemäßen Schrift beschriebene Drehschieber ermöglicht eine exakte Steuerung des Drucks in der Druckkammer des Verdichters. Daraus ergibt sich eine merkliche Geräuschminderung, da die innere Verdichtung der äußeren Verdichtung entspricht und somit Druckstöße vermieden werden. Der Voreinlaß weist dabei einen sehr kleinen Durchmesser auf, da lediglich vorgesehen ist, Druck aus der inneren Kammer abzubauen, damit die äußere Verdichtung der inneren Verdichtung entspricht. Die Luftmenge wird praktisch vollständig in die Druckkammer gefördert, wobei die zuviel geförderte Luft durch den Bypaß wieder in die Saugkammer rückführbar ist.

Durch die gattungsgemäße Schrift wird zwar die Geräuschentwicklung vermindert, ein energetisch effizienter Betrieb des Laders bei Teillast und eine vorteilhafte Ladercharakteristik wird allerdings nicht erreicht. Wie auch bei der US 5,752,806 wird zur Verdichtung der Luft Antriebsleistung benötigt. Darüber hinaus wird die Luft auch entsprechend stark erhitzt. Die Luftförderung und Verdichtung schlägt sich dabei unmittelbar im Kraftstoffverbrauch nieder.

Nachteilig bei der EP 0 392 231 A3 ist außerdem, daß der Aufbau des Drehschiebers konstruktiv aufwendiger ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerungsvorrichtung für einen mechanischen Lader bzw. eine Lastregelung des Verbrennungsmotors durch den Lader zu schaffen, die bei einem Einsatz von möglichst wenigen Bauteilen eine Optimierung bzw. eine Reduzierung der Laderantriebsleistung im unteren Teillastbereich sowie eine Verbesserung des Wirkungsgrades im Übergangsbereich Teillast/Vollast und eine Optimierung des Gesamtkraftstoffverbrauchs ermöglicht und die eine möglichst geringe Geräuschentwicklung und Erwärmung des zu fördernden Mediums gewährleistet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Dadurch, daß die Steuerungsvorrichtung zwei Steuerventile aufweist die ein Einfüllen und/oder Nachfüllen eines Arbeitsmediums, beispielsweise Luft, in die Arbeitskammer bzw. ein Ablassen des Arbeitsmediums steuern, wird eine optimal angepaßte Förderung der Luftmenge und damit ein optimierter Kraftstoffverbrauch erreicht. Durch die erfindungsgemäße Lösung ist eine Anpassung des Drucks im Lader an den Druck im Saugrohr und damit eine Vermeidung von Druckpulsationen und Geräuschemissionen in vorteilhafter Weise möglich. Die angepaßte Förderung der Luftmenge ermöglicht eine Minimierung der Laderantriebsleistung in allen Bereichen des Verbrennungsmotors.

Das Schluckvermögen des Laders kann in vorteilhafter Weise an den Lastzustand des Verbrennungsmotors angepaßt werden, so daß die Motorlast direkt über den Liefergrad des Laders geregelt werden kann. Eine Änderung des Lastzustandes des Verbrennungsmotors ist somit über den Liefergrad des Laders, der durch die erfindungsgemäßen Steuerventile bestimmt wird, möglich.

Durch das erste Steuerventil läßt sich durch eine gezielte Luftzufuhr, in einem Betriebsbereich des Laders der unterhalb einer sogenannten Saugervollast liegt, ein Expansionsbetrieb des Laders darstellen. Das in die Arbeitskammer eingefüllte Arbeitsmedium wird dabei in vorteilhafter Weise so lange expandiert, bis in der Arbeitskammer der im Saugrohr anliegende Druck erreicht wird. Druckdifferenzen beim Öffnen der Arbeitskammer in Richtung der Druckkammer werden dadurch vermieden. Der Abstand der Steuerkanten "Einlaß schließt" (ES) und "Auslaß öffnet" (AÖ) bestimmt das Expansionsverhältnis im geometrischen Sinn. Das eigentliche Expansionsverhältnis wird durch das Druckverhältnis zwischen "Einlaß schließt" und "Auslaß öffnet" bestimmt. Durch das erste Steuerventil können verschiedene Einlaß-Steuerkanten gewählt bzw. gesteuert werden, so daß das Expansionsverhältnis derart bestimmbar ist, daß keine Unstetigkeiten in der Lastregelung auftreten bzw. der Druck in der Arbeitskammer an den Saugrohrdruck variabel angepaßt wird. Für diese Anpassung kann gezielt Luft in die Arbeitskammer nachgelassen werden. Dies kann bereits während des Expansionsvorganges stattfinden. Trotz der festen Steuerkanten ist somit eine stufenlose Lastregelung möglich.

Durch den Expansionsbetrieb kann Energie zurückgewonnen werden. Der Lader benötigt somit weniger Antriebsleistung und kann mechanische Arbeit an die Kurbelwelle zurückgeben. Dies kann beispielsweise über einen mit dem Lader verbundenen Riementrieb erfolgen.

In nicht naheliegender Weise hat der Erfinder erkannt, daß das Expansionsverhältnis um so geringer wird, je mehr Arbeitsmedium aufgenommen wird. Bei einem kleiner werdenden Expansionsverhältnis wird mehr Arbeitsmedium aufgenommen und somit ein größerer Massenstrom erzielt. Daraus folgt auch ein sich erhöhender Saugrohrdruck. Das Expansionsverhältnis im Lader kann in einer einfachen Darstellungsform aufgezeigt werden als P Atmosphäre geteilt durch P Lader. P Lader ist dabei in vorteilhafter Weise bei der Steuerkantenlage "Auslaß öffnet" der Saugrohrdruck. Daraus ergibt sich, daß das Expansionverhältnis sinkt, wenn der Saugrohrdruck ansteigt. Eine Erhöhung des Saugrohrdrucks bedeutet nunmehr, daß mehr Luft aufgenommen werden muß, das Expansionsverhältnis sinkt, und somit muß die Einlaß- Steuerkante der Auslaß-Steuerkante angenähert bzw. Luft in den Arbeitsraum nachgefüllt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es, daß in vorteilhafter Weise auf eine externe Bypaßleitung verzichtet werden kann und somit der Bauraum und das Gesamtgewicht des Ansaugsystems reduziert wird.

In vorteilhafter Weise ist es durch die erfindungsgemäße Lösung möglich, daß in einem hohen Teillastbereich, d. h. in einem Bereich oberhalb der Saugervollast bis hin zur Vollast im Aufladebetrieb, ein Teil des zu fördernden Arbeitsmediums unverdichtet in die Saugkammer rückführbar ist. Somit kann auch in diesem Lastzustand des Laders die zu verdichtende Menge des Arbeitsmediums an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors angepaßt werden, so daß Arbeitsleistung für den Lader eingespart werden kann. Der Liefergrad des Laders bei einer bestimmten Drehzahl kann in einfacher Weise mittels einer entsprechenden Positionierung der Steuerventile erfolgen. Bei einer entsprechenden Stellung der Steuerventile kann die Druckkammer mit der Saugkammer verbunden werden, so daß keine innere Verdichtung realisiert wird (Saugervollast).

Durch eine Anpassung des inneren Drucks in der Arbeitskammer an den Druck der Druckkammer, werden Druckimpulse und somit Geräusche weitgehend vermieden.

Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung läßt sich konstruktiv einfach und mit wenigen Bauteilen realisieren. Zur Steuerung sind in einer Ausführungsform nur zwei Steuerventile und jeweils eine die Steuerventile entsprechend antreibende Antriebseinheit notwendig. Durch die Reduzierung von Schnittstellen läßt sich die Steuerungsvorrichtung besonders einfach, kostengünstig und störunanfällig erstellen.

Durch eine entsprechende Steuerung der Ventile ist der Liefergrad des Laders kontinuierlich von minimal bis maximal bzw. Vollast des Verbrennungsmotors schaltbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine niedrige Teillast des Verbrennungsmotors, wobei die aktive Arbeitskammer im Bereich der aktiven "Einlaß schließt" Steuerkante dargestellt ist;
Fig. 2 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine niedrige Teillast des Verbrennungsmotors, wobei die aktive Arbeitskammer im Bereich der aktiven "Auslaß öffnet" Steuerkante dargestellt ist;
Fig. 3 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine niedrige-mittlere Teillast des Verbrennungsmotors;
Fig. 4 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine mittlere Teillast des Verbrennungsmotors;
Fig. 5 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine mittlere-hohe Teillast des Verbrennungsmotors bzw. Saugervollast;
Fig. 6 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine hohe Teillast des Verbrennungsmotors;
Fig. 7 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine hohe Teillast des Verbrennungsmotors;
Fig. 8 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine hohe Teillast des Verbrennungsmotors;
Fig. 9 einen Schnitt in einer Radialebene durch einen erfindungsgemäßen mechanischen Lader mit einer Steuerkantenlage für eine Vollast des Verbrennungsmotors; und
Fig. 10 ein Diagramm zur Stellung der Steuerventile zur Regelung des Liefergrades des Laders.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, erfolgt die nachfolgende Erläuterung der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung im Zusammenhang mit einem Drehkolbenverdichter 1, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als innenachsige Rotationskolbenmaschine arbeitet. Selbstverständlich beinhaltet dies keine Einschränkung der Erfindung auf einen solchen. Vielmehr kann die Steuerungsvorrichtung für alle mechanischen Lader, insbesondere mit innerer Verdichtung, zum Einsatz gelangen, wie beispielsweise einem Schraubenverdichter.
Das Funktionsprinzip eines Drehkolbenverdichters 1 ist prinzipiell bekannt, weshalb nachfolgend lediglich auf die erfindungsgemäßen Merkmale der Steuerungsvorrichtung näher eingegangen wird.
Bezüglich des prinzipiellen Aufbaus eines Drehkolbenverdichters 1 wird nur beispielsweise auf die gattungsgemäße EP 0 392 231 A3 verwiesen.
Wie aus Fig. 1 und analog dazu aus den Fig. 2 bis 10 ersichtlich, weist der Drehkolbenverdichter 1 ein Verdichtergehäuse 2 mit einer Saugkammer 3 und einer Druckkammer 4 auf. In dem Verdichtergehäuse 2 ist ein Außenrotor 5 angeordnet der drei Rotorteile 6 aufweist, zwischen denen drei Arbeitskammern 7 angeordnet sind. Exzentrisch im Außenrotor 5 ist ein Innenrotor 8 in bekannter Weise angeordnet. Der Innenrotor 8 weist dabei zwei Eingriffsteile 9 auf. Selbstverständlich kann der Innenrotor 8 auch über eine andere Anzahl von Eingriffsteilen 9 und somit auch der Außenrotor 5 über eine andere Anzahl von Rotorteilen 6 verfügen.
An die Druckkammer 4 schließt sich in üblicher Weise ein nicht dargestelltes Saugrohr an, das zu einem ebenfalls nicht dargestellten Verbrennungsmotor führt.
Die Drehbewegung des Außenrotors 5, des Innenrotors 8 sowie die Strömrichtung des Arbeitsmediums in die Saugkammer 3 bzw. von der Druckkammer 4 in das Saugrohr des Verbrennungsmotors sind zum besseren Verständnis (in Fig. 1) mit Richtungspfeilen dargestellt.
Der Drehkolbenverdichter 1 weist ein erstes Steuerventil 10 und ein zweites Steuerventil 11 auf. Die Steuerventile 10, 11 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel in Form von Steuerwalzen ausgebildet, wobei Steuerschieber ebenfalls verwendet werden können. Das erste Steuerventil stellt somit die erste Steuerwalze 10 und das zweite Steuerventil die zweite Steuerwalze 11 dar.
Die erste Steuerwalze 10 dient zur Bestimmung des Liefergrades beim Expansionsbetrieb und die zweite Steuerwalze 11 zur Bestimmung des Liefergrades beim Aufladebetrieb.
Die zum Ladungswechsel notwendigen Steuerkanten, die nachfolgend näher beschrieben werden, sind am Umfang verteilt und werden durch die Steuerwalzen 10, 11 entsprechend aktiviert.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist das Verdichtergehäuse 2 einen in die Saugkammer 3 mündenden Einlaßkanal 12 und einen in die Druckkammer 4 mündenden Bypaßkanal 13 auf. Die Saugkammer 3 und die Druckkammer 4 können dabei durch die Steuerwalzen 10, 11 verbunden werden. Der Einlaßkanal 12 und der Bypaßkanal 13 können in dem Verdichtergehäuse 2 integriert oder als separates Gehäuseteil ausgebildet sein. Vorteilhaft ist jedoch die Kombination von Steuerwalzen 10, 11 und gehäuseintegrierten Kanälen 12, 13, die eine kurze und verlustarme Luftführung gewährleisten.
Zusätzlich zu dem Bypaßkanal 13 ist in dem Verdichtergehäuse 2 ein Vorauslaßkanal 14 vorgesehen. Entsprechend der Stellung der zweiten Steuerwalze 11 kann wenigstens der Vorauslaßkanal 14 mit dem Bypaßkanal 13 derart verbunden werden, daß wenigstens ein Teil des zu fördernden Arbeitsmediums, insbesondere Luft, unverdichtet in die Saugkammer 3 rückführbar ist.
In einer alternativen Ausgestaltung ist auch der Einsatz von mehreren Vorauslaßkanälen 14 vorstellbar.
Die verschiedenen Stellungen der ersten Steuerwalze 10 und der zweiten Steuerwalze 11 werden anschließend bezüglich der Fig. 1 bis 10 näher dargestellt. Eine entsprechend vorteilhafte Steuerung zur Regelung des Liefergrades des Laders und somit auch zur Regelung des Verbrennungsmotors ergibt sich ebenfalls aus der folgenden Figurenbeschreibung.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist in Drehrichtung vor der ersten Steuerwalze 10 ein Voreinlaßkanal 15 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist dabei eine Steuerung des Voreinlaßkanales 15, der nur einen sehr geringen Luftdurchlaß ermöglicht, nicht vorgesehen. In alternativen Ausführungsformen kann dies jedoch - mit einem höheren Kostenaufwand - problemlos realisiert werden, wodurch sich die Anpassung des Drucks in der Arbeitskammer an den Saugrohrdruck des Verbrennungsmotores weiter verbessern läßt. Wie sich in Versuchen jedoch herausgestellt hat, kann ohne praktische Nachteile auf eine Steuerung des Voreinlaßkanales 15 verzichtet werden.
Fig. 1 zeigt den Drehkolbenverdichter 1 mit einem geringsten Liefergrad, welcher der niedrigsten bzw. einer niedrigen Teillast des Verbrennungsmotors entspricht. Die erste Steuerwalze 10 verschließt sowohl den Einlaßkanal 12 als auch einen Nachfüllungskanal 16. Die zweite Steuerwalze 11 ist inaktiv und läßt somit sowohl den Bypaßkanal 13 als auch den Vorauslaßkanal 14 auf vollen Durchlaß. Durch die in Fig. 1 dargestellte Stellung der Steuerwalzen 10, 11 stellt der Voreinlaßkanal 15 mit seinem geringem Durchmesser die einzige aktive "Einlaß schließt" bzw. ES-Steuerkante dar. Dadurch wird das maximale Expansionsverhältnis festgelegt. Die in die Arbeitskammer 7 eingefüllte Luft wird bis zu dem in Fig. 2 dargestellten Maß expandiert und gibt folglich entsprechend mechanische Arbeit an eine Kurbelwelle zurück. An der aktiven "Auslaß öffnet" AÖ-Steuerkante ist die Expansion der Luft beendet und die Arbeitskammer 7 öffnet sich in Richtung der Druckkammer 4. Das Expansionsverhältnis bzw. die Expansion ist dabei derart bestimmt, daß der Druck in der Arbeitskammer 7 nunmehr dem Saugrohrdruck zu dem Verbrennungsmotor entspricht.
Eine Anpassung des Drucks in der Arbeitskammer 7 an den Saugrohrdruck zu dem Verbrennungsmotor erfolgt dabei in einfacher Weise, wie in Fig. 3 dargestellt. Im Bereich einer niedrigen bzw. mittleren Teillast des Verbrennungsmotors wird mit Hilfe der ersten Steuerwalze 10 Luft in die Arbeitskammer 7 nachgefüllt. Die Luftmasse in der Arbeitskammer 7 steigt somit an und das Expansionsverhältnis sinkt, so daß in der Arbeitskammer 1 ein höherer Druck, der an den entsprechend höheren Druck im Saugrohr angepaßt ist, anliegt, wenn die Arbeitskammer 7 an der aktiven AÖ-Steuerkante geöffnet wird.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird die Arbeitskammer 7 durch den Voreinlaßkanal 15 und den Nachfüllungskanal 16 gefüllt, wobei der Durchlaß durch die aktive ES- Steuerkante durch die Steuerwalze 10 variierbar ist, so daß die nachzufüllende Luft an den Lastbereich des Verbrennungsmotors angepaßt werden kann. Je größer die Menge an Luft wird, die durch den Nachfüllungskanal 16 in die Arbeitskammer 7 strömt, desto unbedeutender wird der permanent geöffnete Voreinlaßkanal 15. Wie aus Fig. 3 ebenfalls ersichtlich ist, verschließt die erste Steuerwalze 10 nach wie vor den Einlaßkanal 12. Durch die Lage der Steuerwalze 10 wird ein mittleres Expansionsverhältnis bestimmt. Die zweite Steuerwalze 11 ist weiterhin inaktiv, so daß der Bypaßkanal 13 und der Vorauslaßkanal 14 auf vollen Durchlaß stehen.
Fig. 4 zeigt eine Darstellung der Steuerwalzen 10, 11 in einem mittleren Teillastbereich des Verbrennungsmotors. Die erste Steuerwalze 10 schließt weiterhin den Einlaßkanal 12, gibt jedoch den Nachfüllungskanal 16 vollständig frei, so daß dieser komplett geöffnet ist. Das Einlaßvolumen ist somit entsprechend größer, eine Expansion erfolgt nicht mehr, der Liefergrad des Laders liegt jedoch noch unter der sogenannten "Saugervollast". Es erfolgt eine äußere Expansion.
Wie sich in Versuchen herausgestellt hat, ergibt sich eine besonders gute Nachfüllung der Arbeitskammer 7, wenn der Nachfüllungskanal 16 in Richtung der Arbeitskammer 7, wie in den Figuren dargestellt, aufgeweitet ist.
In Fig. 4 ist die zweite Steuerwalze 11 weiterhin inaktiv.
Fig. 5 zeigt eine Darstellung die einer mittleren bis hohen Teillast des Verbrennungsmotors entspricht bzw. die eine sogenannte "Saugervollast" darstellt. Die beiden Steuerwalzen 10, 11 sind inaktiv, so daß alle schaltbaren Kanäle 12, 13, 14, 16 geöffnet sind und sich der Lader neutral zur Motorlast verhält. Die in Fig. 5 dargestellte Position der Steuerwalzen 10, 11 eignet sich auch als Notlaufstellung, die beispielsweise, wie bei Drosselklappenstellern üblich, über eine Feder eingestellt werden kann.
Fig. 6 zeigt eine Stellung der Steuerwalzen 10, 11 für eine hohe Teillast des Verbrennungsmotors bzw. einen geregelten Aufladebetrieb des Laders. Die erste Steuerwalze 10 ist inaktiv und öffnet somit sowohl den Nachfüllkanal 16 als auch den Einlaßkanal 12 vollständig. Die zweite Steuerwalze 11 wird derart gestellt, daß der Bypaßkanal 13 aus Richtung der Druckkammer 4 angedrosselt wird. Der Vorauslaßkanal 14 ist vollständig geöffnet. Die in Fig. 6 dargestellte Stellung der Steuerwalzen 10, 11 bewirkt, daß die aktive ES- Steuerkante in den Bereich, in dem der Vorauslaßkanal 14 in die Arbeitskammer 7 mündet, verschoben wird. Die aktive ES-Steuerkante wird dabei durch den Bereich des Vorauslaßkanales 14 gebildet, welcher der Druckkammer 4 am nächsten liegt. Die aktive AÖ-Steuerkante öffnet sich direkt hin zur Druckkammer 4.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Stellung der Steuerwalzen 10, 11 wird ein geringer Teil der in der Druckkammer 4 befindlichen Luft zurück in die Saugkammer 3gefördert. Die durch den Vorauslaßkanal 14 abgesteuerte Luft ist allerdings noch maximal.
Die in Fig. 7 dargestellte Lage der zweiten Steuerwalze 11 läßt keine Rückführung der geförderten Luft aus der Druckkammer 4 zu. Der Vorauslaßkanal 14 ist jedoch noch vollständig geöffnet, so daß eine hohe Teillast des Verbrennungsmotors bzw. ein geregelter Aufladebetrieb des Laders möglich ist. Die erste Steuerwalze 10 ist, wie auch in den Fig. 8 und 9, inaktiv. Die Steuerkantenlage ES und AÖ der in Fig. 7 dargestellten Position der Steuerwalzen 10, 11 entspricht der in Fig. 6 beschriebenen. Durch die Schließung des Bypaßkanales 13 wird der Druck in der Arbeitskammer 7 an einen höheren Saugrohrdruck angepaßt.
Die in Fig. 8 dargestellte Stellung der zweiten Steuerwalze 11 läßt ebenfalls keine Rückführung der geförderten Luft aus der Druckkammer 4 zu. Darüber hinaus wird auch die durch den Vorauslaßkanal 14 abzusteuernde Luft reduziert. Somit ist der Liefergrad des Laders entsprechend dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors und dem entsprechenden Saugrohrdruck höher. Die Lage der Steuerkanten ist bezüglich der Fig. 6 und 7 unverändert.
Die nächste in Fig. 9 dargestellte Stellung zeigt die zweite Steuerwalze 11 in einer Stellung, in der der Vorauslaßkanal 14 sowie der Bypaßkanal 13 vollständig geschlossen sind. Der Liefergrad des Laders ist somit maximal. Diese Stellung ergibt sich im Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors. Die aktive ES-Steuerkante wird bei maximalem Liefergrad des Laders, bedingt durch den geschlossenen Vorauslaßkanal 14 entgegen der Drehrichtung des Laders verschoben, so daß die Arbeitskammer 7 durch einen Kanal 17 mit der maximalen Masse an Luft gefüllt wird.
In vorteilhafter Weise und im Unterschied zu allen bekannten Steuerungsvorrichtungen, wird bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung nur bei Vollast die gesamte Luftmenge gefördert. Darüber hinaus wird in dem Teillastbereich, der sich unterhalb der Saugervollast befindet, durch den Expansionsbetrieb mechanische Arbeit an die Kurbelwelle zurückgegeben.
Durch die Umsetzung mehrerer Funktionen in der Steuerwalze 10, 11 ist jeweils nur eine Antriebseinheit notwendig, die ebenfalls in dem Verdichtergehäuse 2 integriert werden kann. Somit werden in vorteilhafter Weise auch die Schnittstellen reduziert. In nicht dargestellter Weise können die Steuerwalzen 10, 11 von Aktuatoren mit der Dynamik eines Drosselklappenstellers gestellt werden. Dadurch können die Steuerwalzen 10, 11 entsprechend schnell arbeiten und es können Lastsprünge realisiert werden. Eine effektive und schnelle Notlauffunktion ist somit ebenfalls sichergestellt.
Wie aus den Fig. 1 bis 9 ersichtlich ist, sind die Steuerwalzen 10, 11 in vorteilhafter Weise in das Verdichtergehäuse 2 eingepaßt.
Bei der geregelten Luftzugabe kann auch Abgas der Ansaugluft zugesetzt werden, um mit einem höheren Massendurchsatz mehr Expansionsenergie zurückzugewinnen.
Zur übersichtlichen Darstellung zeigt Fig. 10 ein Diagramm mit der Stellung der Steuerwalzen 10, 11 in Abhängigkeit der Last des Verbrennungsmotors. Eine Saugervollastlinie 18 stellt dabei die sogenannte Saugervollast dar. In dem Bereich unterhalb der Saugervollastlinie 18 wird Expansionsenergie freigesetzt. In dem Bereich oberhalb der Saugervollastlinie 18 arbeitet der Drehkolbenverdichter 1 mit geregelter Aufladung bis hin zu einer Vollastlinie 19 des Ladermotors.
Paßt man das Schluckvermögen des Laders dem Lastzustandes des Verbrennungsmotors an, so kann die Motorlast direkt über den Liefergrad des Laders geregelt werden.

Claims

1. Steuerungsvorrichtung für einen mechanischen Lader, insbesondere zur Aufladung eines Verbrennungsmotors, mit einem Verdichtergehäuse, das eine Druckkammer, eine Saugkammer und Arbeitskammern aufweist, wobei zur Rückführung eines Arbeitsmediums von der Druckkammer in die Saugkammer ein Bypaßkanal vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtergehäuse (2) wenigstens zwei Steuerventile (10, 11) aufweist die den Liefergrad des Laders steuern, wobei ein erstes Steuerventil (10) ein Einfüllen und/oder Nachfüllen des Arbeitsmediums in die Arbeitskammer (7) und ein zweites Steuerventil (11) ein Ablassen des Arbeitsmediums steuert.

2. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuerventil (10) im Bereich der Saugkammer (3) und das zweite Steuerventil (11) in dem Bypaßkanal (13) angeordnet ist.

3. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (10, 11) in das Verdichtergehäuse (2) eingepaßt sind.

4. Steuerungsvorrichtung nach Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile (10, 11) jeweils wenigstens zwei Steuerkanten aufweisen.

5. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdichtergehäuse (2) einen Vorauslaßkanal (14) aufweist, der die Arbeitskammer (7) mit dem zweiten Steuerventil (11) derart verbindet, daß entsprechend der Stellung des zweiten Steuerventils (11) ein Teil des zu fördernden Arbeitsmediums unverdichtet in den Bypaßkanal (13) in Richtung der Saugkammer (3) ablaßbar ist.

6. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorauslaßkanal (14) und die Druckkammer (4) durch das zweite Steuerventil (11) mit der Saugkammer (3) und/oder des in Richtung der Saugkammer (3) führenden Teiles des Bypaßkanals (13) verbindbar sind.

7. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Steuerventil (10) und dem zweiten Steuerventil (11) ein Kanal (17) angeordnet ist, durch den der Arbeitsraum (7) in Abhängigkeit der Stellung der Steuerventile (10, 11) mit der Saugkammer (3) und/oder der Druckkammer (4) verbindbar ist.

8. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Drehrichtung des Laders vor dem ersten Steuerventil (10), zum Einfüllen des Arbeitsmedium von der Saugkammer (3) in die Arbeitskammer (7), ein Voreinlaßkanal (15) angeordnet ist.

9. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Liefergrad des Laders unterhalb einer Saugervollast des Verbrennungsmotors ein Expansionsbetrieb erfolgt, bei dem mechanische Arbeit an eine Kurbelwelle zurückführbar ist.

10. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Voreinlaßkanal (15) ein minimales Einfüllen des Arbeitsmediums und ein maximales Expansionsverhältnis ermöglicht.

11. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 8, 9, oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Voreinlaßkanal (15) die minimale Menge des einzufüllenden Arbeitsmediums bestimmbar ist.

12. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Steuerventil (10) einen Nachfüllungskanal (16) und einen Einlaßkanal (12) zu dem Kanal (17) steuert.

13. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem vollständigem Schließen des Nachfüllungskanals (16) und des Einlaßkanals (12) durch das erste Steuerventil (10) ein Einfüllen des Arbeitsmediums nur durch den Voreinlaßkanal (15) erfolgt.

14. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuerventil (11) den Vorauslaßkanal (14) und den Bypaßkanal (13) steuert.

15. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die maximale Menge des zu fördernden Arbeitsmediums ergibt, wenn der Nachfüllungskanal (16) sowie der Einlaßkanal (12) vollständig geöffnet und der Bypaßkanal (13) und der Vorauslaßkanal (14) vollständig geschlossen sind.

16. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Lader neutral zu der Last des Verbrennungsmotors verhält, wenn alle durch die Steuerventile (10, 11) beeinflußbaren Kanäle (12, 13, 14, 16) geöffnet sind.

17. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastregelung des Verbrennungsmotors direkt über den Liefergrad des Laders regelbar ist.

18. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Liefergrad des Laders durch die Steuerventile (10, 11) von minimal bzw. niedrigster Teillast bis maximal bzw. Vollast kontinuierlich variierbar ist.

19. Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerventile als Steuerwalzen (10, 11) und/oder Steuerschieber ausgebildet sind.

20. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Steuerwalzen (10, 11) mittels einem Stellantrieb mit Lagepositionierung und einer Schnittstelle zu einer Motorelektronik erfolgt.

21. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwalzen (10, 11) über Aktuatoren mit der Dynamik von Drosselklappenstellern stellbar sind.

22. Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Feder eine Notlaufstellung realisierbar ist, bei der alle durch die Steuerwalzen (10, 11) stellbaren Kanäle (12, 13, 14, 16) geöffnet sind.