DE102004037763A1

DE102004037763A1 - Arts

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Publication number: DE102004037763A1
Application number: DE102004037763A
Authority: DE
Inventors: Hrvoje Salinovic
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: DE102004037763B4

Abstract

Der Grundgedanke von ARTS-Innovation ist ein kompromissloser Turbomotor, der durch eine deutliche Verbesserung und Teillastbedeckung des effektiven motorischen Wirkungsgrades das "Unmögliche" schafft, gleichzeitig eine viel höhere Fahrleistung zu erzielen und den Kraftstoffverbrauch zu vermindern. DOLLAR A Die wahre Bedeutung dieser Expansionssteuerung ist, dass man damit Parameter der Ladeluft konstant halten kann. Diese Luft-orientierende Steuerungstechnik ermöglicht lambda, den Luft-Überschuss-Koeffizienten immer konstant zu halten und erreicht damit eine echte stehisometrische Dosierung von Kraftstoff. Damit gestaltet ARTS-Innovation einen viel effektiveren Wirkungsgrad über das ganze Lastspektrum des Verbrennungsmotors hindurch und verbraucht viel weniger Kraftstoff. DOLLAR A Ein Hochdruckkompressor [K], angetrieben von der Maschine [1] über ein Zahnriemenreduktionssystem, saugt eine kleine Menge Umgebungsluft an (REC; Recovery Air) und komprimiert sie über einen Luftkühler in einem Hochluftdruckbehälter [B] (Kompression an 15 zu 100 bar + Kühlung-Kü). Durch die Expansions-Steuerungsanlage (E) führt und kühlt die REC-Luft den Luftaufladungsprozess im ATL/DTL. Die Ladeluft, die kalt und sehr dicht ist, gelangt störungsfrei in die Zylinder unter bestimmten Parametern. DOLLAR A Die Zone_4, die sich zwischen dem Turbolader und dem Motor bei klassischen Turbosystemen befindet, ist bei ARTS-Innovation in einen separaten Nebenprozess verlegt. Zwischen Turbolader und Motorzylinder existieren keine ...

Description

ARTS – Innovation ist ein kompromissloser Turbomotor, der durch eine deutliche Verbesserung und Teillastbedeckung des effektiven motorischen Wirkungsgrades unmögliches, gleichzeitig viel höhere Fahrleistungen und Verminderung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht.
Die Innovation bezieht sich auf die Verbesserung der Leistung und des Kraftstoffverbrauchs der Verbrennungsmotoren durch ein Expansionssteuerungsverfahren.
Stand der Technik: Leistungs- und Kraftstoffverbrauch
Die Leistung eines Verbrennungsmotors verhält sich proportional zu seinem mit Kraftstoff versehenem Luftdurchsatz!
Mit anderem Worten: je mehr Luft durchgesetzt wird, desto mehr Leistung kann aus einer Maschine herausgeholt werden. Nun läst sich ja das Ziel eines höheren Luftdurchsatzes pro Zeiteinheit beim Selbstansaugenden Motor(Sauger) theoretisch und praktisch auf verschiedenen Wegen erreichen.
Zur Verdeutlichung die Zusammenhänge:
Leistungsformel

P = Vh n pm ηP

Drehmomentsformel

Md = Vh n pm ηM (V_h = Hubraum; n = Drehzahl; p_m mittlere Verbrenunngsdruck; η_P;η_M = Wirkungskonstante)

Leistung und Hubraum (V_h):
Eine Erhöhung des Hubraums ist jedoch bedingt durch einen hohen spezifischen Verbrauch wegen höherer Reibleistungen, da die Massenkräfte, die die Reibungsverluste verursachen, in Kubik zum Zylinderdurchmesser eingehen!
Leider kein ungewöhnlicher Trend. Wegen höherem Verbrauch und Umweltschäden möchte ARTS Innovation diese Richtung ändern!
Leistung und Motordrehzahl (n):
Die Erhöhung der Motordrehzahl ist jedoch durch eine höhere Reibleistung bedingt, da die Massenkräfte im Quadrat zur Drehzahl eingehen, deswegen ist es vernünftig die Drehzahlerhöhung im engsten Zusammenhang mit der Hubraumverkleinerung zu betrachten. Um höhere Leistung zu erreichen setzt auch ARTS Innovation an diesen Weg an!
Leistung und Wirkungsgrad (w_e):
Der effektive Wirkungsgrad von Verbrennungsmaschinen liegt heute zwischen 25% und 35%. Bei allen heutigen Konstruktionslösungen weicht der reale Wirkungsgrad sehr stark von effektiven Werten ab. Die erhebliche Erhöhung des Verbrauchs bei Stadt- und Staufahrten, und Abweichungen im Verbrauch im Sommer und Winter zeigen viel schlimmere Werte. Weiterhin stellt sich immer wieder eine Frage: Woher kommt der so große Unterschied im Verbrauch von zwei Autos desselben Typs mit Motoren von unterschiedlichen Leistungen? Je höher die Leistung ist, desto höher ist der Verbrauch, obwohl beide Motoren den gleichen effektiven Wirkungsgrad haben!
In der Realität kann man nicht erwarten, selbst mit optimalen Mitteln mehr als 40% des effektiven Wirkungsgrades zu erreichen, aber was man tun kann, ist den effektiven Wirkungsgrad am ganzen Lastspektrum und Umdrehungsbereich zu verbreiten. Dafür braucht man ein stehiometrisches Steuerungsystem und das tut diese Innovation!
Leistung und Turboaufladung (p_m):
Der Leistungszuwachs ist ausschließlich auf den höheren mittleren Verbrennungsdruck zurückzuführen.
Unter Aufladung versteht man die Erhöhung des Füllungsgrades des Motors mit dem Ziel, die Leistung zu verbessern. Die Erhöhung des Füllungsgrades entsteht durch getrennte, am Motor installierte Aggregate, die durch Abgasenergie angetrieben werden.
Die Aufladung macht es möglich, die Leistung eines PKW; Otto- oder Dieselmotors um bis zu 50% zu steigern.

Aufladungssysteme

In der Praxis ist es relativ einfach, die Kraftstoffzufuhr zum Motor zu erhöhen. Da der Kraftstoff aber nur im bestimmten Verhältnis mit der zugeführten Luft verbrennt, muss eine Ladeeinrichtung vorgesehen werden, um eine deutliche Leistungssteigerung zu erzielen. Alle Ladeeinrichtungen saugen und verdichten Umgebungsluft, bevor diese in den Motor gelangt. Leider wird nach Verdichtung die Verbrennungsluft in an sich unerwünschtem Ausmaß erwärmt. Dabei können Temperaturen bis zu 150 °C erreicht werden. Da die Lufteintrittstemperatur im Motor bei Volllast aber 50 °C nicht übersteigen sollte, sind große Ladeluftkühler im Fahrzeug erforderlich.

Abgasturbo-Aufladung

Das Abgasturbolader (ATL)-system, treibt Abgas in eine Radialturbine an, die ihrerseits den Radialverdichter, der auf derselben Welle sitzt, antreibt. Beim Dieselmotor entfällt die Drosselklappe. Der erforderliche Ladeluftkühler befindet sich in der Leitung zum Motor und verursacht zusätzlichen Ladeluftstau. Da der Motor bereits bei möglichst niedrigen Drehzahlen zur Realisierung guter Fahrbarkeit ein hohes Drehmoment haben soll, ist die Verwendung kleiner Radialturbinen und -verdichter zwingend erforderlich. Maximal 37,5% der Abgasenergie können vom Abgasturbolader zur Luftverdichtung genutzt werden.

Durch die Steuerung des Abgasbypasses wird der Ladedruck auf dem gewünschten Niveau gehalten. Für die richtige Erhaltung des gewünschten Kraftstoff/Luftverhältnisses wird der Luftmassenstrom gemessen und ausgewertet. Grundsätzlich ist zwischen ATL-Dieselmotor und ATL-Ottomotor im Bezug auf die Ladesystembauteile kein grosser Unterschied. Beim Ottomotor Turbolader gibt es jedoch eine um ca. 300 °C höhere Abgastemperatur im Nennleistungsbereich. Werkstoffbedingt liegt die Betriebsgrenze dort bei ca. 1050 °C.

Im Gegensatz zum ATL-Klassik beim VTG(Variable Turbinengeometrie) wird nicht ein externes Bypassventil zur Einstellung des Ladedrucks verwendet. Hier wird der Gesamtabgasstrom über ein System von mehr als 10 schwenkbaren Leitschaufeln am Radialturbineneintritt betriebspunktgerecht verarbeitet. Mit dieser Steuerung des Abgasstroms können ein schneller Hochlauf der rotierenden Teile und damit ein rascher Ladedruckaufbau, eine bessere Anpassung des Laders hinsichtlich des Abgasverhaltens im mittleren Drehzahlbereich des Motors und eine höhere Nennleistung bei reduziertem Verbrauch realisiert werden.

Die Nachteile der VTG liegen in höheren Herstellungskosten. Außerdem, ein Einsatz von VTG bei sehr kleinen Turboladern (z.B. an Motoren der 1 l Hubraumklasse) wegen der relativ großen Strömungsverluste (Problem der relativen Spaltbreite) ist nicht sinnvoll. Die Anwendung der variablen Turbineneintrittsgeometrie beim Ottomotor mit einem sehr hohen Abgastemperaturniveau ist besonderes problematisch.

Eine weitere Verbesserung von ATL könnte der elektrisch unterstützte Turbolader sein, bei dem gegebenenfalls fehlende Abgasenergie durch elektromotorische Energie ersetzt wird.

Mechanische Aufladung

Der Verdrängerlader(„Kompressor") wird über einen Riemen von der Kurbelwelle angetrieben. Dabei sind Übersetzung Kurbelwelle/Lader und Lader-Luftkapazitat so ausgelegt, dass im gesamten Drehzahlbereich immer der bei Volllast erforderliche Ladeluftstrom gefordert wird. Um Antriebsverluste zu vermeiden, muss deshalb die beim jeweiligen Teillast-Betriebspunkt nicht benötigte Luft über ein Bypassklappenventil zum Ansaugstützen des Kompressors zuruckgeführt werden. Bei sehr niedrigen Teillasten, z.B. im Leerlauf, wird der Kompressor an sich gar nicht benötigt. Dann kann durch eine zusätzliche Kupplung z.B. auf der Kompressorantriebswelle der Kompressorleistungsbedarf eliminiert werden. Der Anstieg des bereits erwähnten Bypassklappenventils kann über die Drosselklappenbetätigung (Drosselklappe ganz offen bedeutet Bypassklappenventil ganz geschlossen) oder viel besser noch über einen vom Motorkennfeld elektronisch/elektrisch ausgebildeten Steller bewirkt werden. Bis auf das Vorhandensein einer Drosselklappe beim Ottomotor unterscheiden sich die mechanischen Aufladesysteme bei Diesel- und Ottomotor nicht.

Probleme, die ARTS löst:

Abweichungen des Drehmoments und der Leistung von theoretisch-linearen Idealwerten bei unterschiedlichen Drehzahlen und die daraus resultierenden Leistungsabstriche des Motors entstehen hauptsächlich infolge von mangelhafter Luftaufladung.

Bei geringen Drehzahlen( < 2500 u/min), wegen geringer Abgasmengen, liefert der ATL inadäquate Luftmengen zu, was zur Folge ein niedriges Drehmoment des Motors, Verzögerungen, Leistungsverlust und einen erhöhten Kraftstoffverbrauch hat.

Bei hohen Drehzahlen( > 3500 u/min) bleibt ein Teil des Abgases im Zylinder des Motors zurück und stört das Ausfüllen des Zylinders und die Verbrennung.

Das ist das zentrale Problem in der Entwicklung heutiger ATL-Systeme ( Lösungen: VTG, Biturbo, Registeraufladung), welche fast ausnahmslos die Lösung in der Regulation von Abgasen suchen, was bei Otto-Motoren wegen hohen Abgastemperaturen und Unterschieden in der Abgasmenge zwischen niedrigen und hohen Drehzahlen besonders schwierig ist.

Als Folge dieses Weges kam es erstens zu einer starken Erhöhung des Dieselanteils in den letzten Jahren und zweitens zu einer Steigerung des Motorhubraums (Diesel-Turbo 2000-3000ccm) was eine Einsparung an Kraftstoff und Abgasemission verhindert;

– Stand 2003: 164 gr/km CO2 – 8,3 l/100km Benzin
– Einigung 2008: 140gr/km CO2 – 5,3 l/100km Diesel – 5,8 l/100km Benzin

Alle Turbo-Motoren sind mehr oder minder Verzögerungsanfällig bei den Laständerungen. Mit dem Betätigen des Gaspedals, mit dem wir Beschleunigen wollen, führen wir dem System eine zusätzliche Menge Kraftstoff zu. Eine entsprechende stechiometrische Luftmenge, die man braucht um eine größere Menge Kraftstoff zu verbrennen, folgt nach einer Kettenreaktion des Regulationssystems und verbraucht Zeit. Diese Inertion des Ladeluftsystems (=>Turboloch), ist leider nicht das einzige Übel. Unvollständige Verbrennung und Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs spürt man in jedem Staat dieser Welt inform von Umwelt- und Luftverschmutzung.

Weil Verzögerung in erster Linie sehr abhängig von dem Hubraum des Motors ist (größeres Arbeitsvolumen = größere Abgasmenge) und von der konstruktiven Ausführung des ATL-Systems (z.B. VTG) was zu einer Tendenz zur Hubraumerhöhung des Motors führt. Damit der Rotor des ATL wegen der erhöhten Luftzufuhr schneller mit einer Drehzahlerhöhung reagieren kann, ist es außerordentlich wichtig seine Massenträgheit möglichst gering zu halten. Diese Anforderung bringt die Lösung dieses Problems in Widerspruch mit der Anforderung einer möglichst geringen Stauung von Abgasen.

Das Erfordernis sehr kleiner Radialturbinen in entsprechend kleinen Turbinengehäusen führt zu einem Abgassaufstau bei höheren Motordrehzahlen. Da ein höherer Abgasgegendruck aber negativen Einfluss auf den Kraftstoffverbrauch und die Bauteillebensdauer hat, muss das überschüssige Abgas mittels eines Bypassventils an der Turbine vorbeigeleitet werden.

Als Folge adiabatischer Kompression in den Turboaggregaten kommt es neben einem Druckanstieg ebenfalls zu einer erheblichen Erwärmung der zugeführten Luft.

Aufgeladene Luft muss nach Austritt aus dem [ATL] gekühlt werden, bevor sie bei Eintritt in die Motorenzylinder eine Temperatur von mindestens 50°C erreicht hat. Die Menge der genannten Luft ist außerordentlich groß (für die Verbrennung von 1kg Kraftstoff muss mindestens 15kg Luft zugeführt werden!), die Kühlungszeit außerordentlich gering, und der Temperaturunterschied der aufgeladenen und der umliegenden Luft, die zum Kühlen verwendet wird, ist sehr gering, was einen großflächigen Kühler mit langen Luftführungen erfordert. Man muss nicht zusätzlich erwähnen, wie sehr diese Kühlung in Fällen hoher Außentemperaturen geschwächt ist.

Eben dieser Temperaturanstieg der aufgeladenen Luft spielt eine entscheidende Rolle bei der Typwahl (Otto oder Diesel-Trend der erhöhten Dieselmotorenherstellung). Der Grund für seltenere Anwendung des ATL-Prinzips bei Ottomotoren findet man meistens in diesem Problem. Wegen der Art des Kraftstoffs (Benzin), die Ottomotoren nutzen, muss die Luft wegen dem klopfende Verbrennung, die im Bereich hoher Temperaturen auftritt, nach der Kompression in einen Bereich zwischen 400-500°C (Bereich der Siedetemperatur) gehalten werden, sonst kann es zu einer Beschädigung des Motors kommen.

Das Erreichen einer höheren spezifischen Motorleistung durch Erhöhen der Dichte der zugeführten Luft während dem Verbrennungsprozess ist eng gebunden an die Problematik der Temperatur der zugeführten Luft.

Die Luftdichte steigt proportional zum Druck und fällt proportional mit einem Temperaturanstieg – ein allgemein bekanntes Prinzip: ρ = f(P; 1T )

Da die Leistung, die man durch den Prozess der Kraftstoffverbrennung erreichen kann, direkt abhängig ist von der Dichte der Luft, soll sie bei möglichst hohem Druck und niedrigen Temperaturen aufgeladen werden.

(1.a) an der Zeichnung Seite 1 stellt eine Prinziplösung der klassischen Turboaufladung dar. Bei herkömmlichen Lösungen saugt ein Turbolader (TL) irgendwelcher Art (Mechanik- oder Abgasturbolader) die Umgebungsluft an und komprimiert dieselben am Druck von ca. 2 bis 3 bar. Wegen der Erwärmung, die bei der erwähnten adiabatischen Kompression entsteht (cca.100 bis 150°C), führt man die Luft über den Luftkühler (Kü), wo sich die Ladeluft im isobarischen Kühlungsprozess am eine Temperatur von mindestens 50°C abkühlt, zu den Motorzylindern(M).

(1.b) stellt ein Beispiel dar, welches die meisten der heutigen Abgasturboaufladungsysteme repräsentiert. Der Abgasturbolader (im weiteren Text-ATL) [Zone_3], angetrieben von Abgasströmung, saugt die Umgebungsluft und komprimiert sie. Während der Komprimierung erhöht sich die Temperatur der Luft auf ca. 150°C. Weil die Temperatur der Ladeluft zu einer Verminderung von Luftdichte führt (Verminderung von Luftdurchsatz) muss die Ladeluft unbedingt gekühlt werden. Um riesige Mengen von Luft, beim geringen Unterschied zur Außentemperatur, zu kühlen, verwendet man Luft- oder Wasserkühler von entsprechender Größe [LK, Zone_4]. Zusätzlich ist, nur bei Otto Motoren, wegen den Lastsprüngen die Drosselklappenregelung absolut notwendig [DR, Zone_4]. Außerdem sind, wegen ungleichmäßiger Abgasmenge bei unterschiedlichen Drehzahlen und Lastsprüngen, entsprechende Vorrichtungen für Abgasregulation notwendig (Waste-Gate Bypässe, VTG-Lamellen, Drosselklappen beim Register und Biturboaufladung usw.) [AR, Zone_4].

Die Störungselemente (LK, DR, AR) im Regulationsfeld [Zone_4] und sehr lange „Wege" zwischen ATL [3] und Motorzylindern [M, Zone_1] verursachen eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft beim Eintritt in den Motorzylinder (mangelhafte Zylinderfüllung), und Stauungsprobleme beim Abgasaustritt aus dem Motor (Drosselung von Verbrennung bei hohen Drehzahlen).

Zeichnungen Seite 2, 2a) und b) stellen Bilder von Dieselturbomotoren der neuesten Generation von Audi und BMW dar. Ein Blick in „Zone_4", Luftführungen und Kühlersystem, dient als bestes Beispiel für die vorherige Einführung.

An der Zeichnungen Seite 4, 4.a) stellt die Ergebnisse von der klassischen Turbomotoren dar. Da der Ladeluftdruck [p_ATL = f(n)] ungleichmäßig ist, ist die Leistung [P_e = f(n)] und der Drehmoment [M_e = f(n)] ungleichmäßig. Der Arbeitsbereich (AB) von klassischen Turbomotoren ist sehr beschränkt (ca. 4000 Diesel, 6000 Benzin).

Darstellung der ARTS-Innovation
Die Probleme von Leistung und Wirkungsverlust in „der Zone_4" (Ladeluftkühlungs- und Regulationsprozessbereich zwischen der Motor und Turbolader), bei klassischen Turbosystemen, ist der Ursprung von ARTS-Innovation.
An der Zeichnungen Seite 3, 3a) stellt ARTS-Innovationsprinzip an demselben Beispiel-Klassik aus 1a) dar.
– Bei ARTS-Innovation, der bei 3.) prinzipiell bezeichnet ist, saugt der Turbolader (TL) Umgebungsluft und komprimiert sie einfach direkt zu den Motorzylindern (M). Um Erwärmung beim diesen Kompression zu vermeiden, vermischt sich angesaugte Luft im Turbolader mit einer kleinen Menge tiefgekühlter Luft (cca. –70° bis –120°C), die in einem parallelen Expansionsprozess entsteht. Beim parallelen Expansionsprozess, komprimiert am Anfang ein Hochdruckkompressor (K) adiabatisch eine kleinere Menge Umgebungsluft (cca. 20% der Ladeluft die für den Verbrennungsprozess benötigt wird) bei einem Druck von cca. 20 bar ( bei einstufiger Kompression meistens im Kombination mit Variante ARTS-ATL zu verwenden!) bis cca. 100 bar (bei zweistufiger Kompression meistens in Kombination mit Variante ARTS-DTL zu verwenden!), abhängig von der Motorleistung, die man erreichen möchte. Bei der Kompression erwärmte Luft, cca. bis 500°C, wird über den Luftkühler (Kü) zum Hochdruckluftbehälter (B) geführt. Wegen einer kleinen Menge komprimierter Luft ist nach dem isobarischen Kühlungsprozess fast der Aussentemperaturwert im Hochdruckluftbehälter zu erwarten. Über eine Expansionsanlage (E) expandiert man adiabatisch die Luft aus dem Hochdruckluftbehälter zum Turbolader (TL), wo die expandiernde Luft einen Teil der kinetischen Expansionsenergie dem zusätzlichen (Variante ARTS-ATL), oder dem ganzen (Variante ARTS-DIRECT) Antrieb des Turboladers übergibt und die durch Mischung angesaugte Luft (Dalton's Gesetz!) auf die gewünschte Temperatur kühlt. Mit diesem innovativen Verfahren ist eine direkte steuerungsfreie Verbindung zwischen Turbolader als die Quelle von Ladeluft und Maschine gestaltet!
An der Zeichnungen Seite 3, 3b) und 3.c) stellen an dem selben Beispiel aus 1b) zwei Varianten der ARTS-Innovation dar. Beide Varianten des ARTS funktionieren an gleichem Prinzip.
Kurz gesagt, ist ARTS ein Expansions- Steuerungsverfahren. Ein Hochdruckkompressor[K], angetrieben von der Maschine [1] über einen Zahnriemenreduktionssystem, saugt eine kleine Menge Umgebungsluft an (REC; Recovery Air) und komprimiert sie über einen Luftkühler in einem Hochluftdruckbehälter [B] (adiabatische Kompression-K an 15 zu 100 bar + Isobarische Kühlung-Kü an umgebungs- Temperatur). Durch die adiabatische Expansion steuert und kühlt dieser „REC" den Luftaufladungsprozess im ATL/DTL. Die Ladeluft, die kalt und sehr dicht ist, gelangt störungsfrei in die Zylinder unter bestimmten Parametern.
Bei der Variante ARTS-ATL (Abgasturboaufladung), 3.b), benutzt man eine Kombination von kinetischer Energie der Expansionsluft und der Abgase für die Produktion von Ladeluft.
Es sind keine Drosselschaufeln, keine Drosselklappen, keine Bypässe (Waste-Gates) mehr nötig! Bei der Abgasturboaufladung führt man Abgase am Turbinenrad (ATL-Variante) um die restliche kinetische Energie der Abgase für Produktion von Ladeluft zu benutzen. Beim ARTS-ATL hat das Turbinenrad einen größeren Durchmesser im Vergleich zum klassischen ATL-Turbinenrad. Deie Ansprechbarkeit von ATL-Klassik bei der Laständerung (Massenträgheitsproblem) spielt beim ARTS Innovation keine Große Rolle. Das Problem der Ansprechbarkeit löst die kinetische Energie der Expansons-REC viel effizienter.
Bei der Variante ARTS-DTL (Direktturboaufladung), 3.c), benutzt man nur die kinetische Energie der Expansionsluft bei der Produktion von Ladeluft.
Die Zone_4, die sich zwischen dem Turbolader und dem Motor bei klassischen Turbosystemen befindet, ist bei ARTS-Innovation in einen separaten Nebenprozess verlegt. Zwischen Turbolader und Motorzylinder existieren keine Störungselemente mehr, nur ein kurzer, freier Kanal.
An der Zeichnungen Seite 4, (4.b) und (4.c), werden die Ergebnisse der ARTS-Innovation dargestellt. Der Ladeluftdruck bleibt durch die Wirkung der kinetischen Energie der expandierenden Recoveryluft konstant (2.b), und aus diesem Grund ist die Leistung linearproportional zum konstanten Drehmoment (2.c). Dank der ungestörten Luftaufladung, ist der Arbeitsbereich (AB) von ARTS-Turbomotoren sehr breit (cc 10000 u/min).
Genauere Darstellung des Innovationskonzepts folgt ab Zeichnung Seite 5 (gemäß Index) Index
An der Zeichnungen Seite 2, 5.) wird das pneumatische Schema des ARTS – Prozesses dargestellt:
Der gesamte ARTS Prozess ist in drei Schritten unterteilt:
1-Schritt: REC (Recovery-Luft) Produktion
Ein Hochdruckkompressor (1) saugt die Umgebungsluft über einen Luftfilter ein (cc 20 % der gesamten Luftmenge die die Maschine für Kraftstoffverbrennung benötigt) und komprimiert dieselbe über einen Luftkühler (2) und ein Druckregelventil (V-1) im Behälter (HDB). Diese REC-Hochdruckluft hat folgende Eigenschaften;
p_HDL bis 20 bar (Schraubenkompressor 1 Stufe )-Variante ARTS-ATL
p_HDL bis 100 bar (Schraubenkompressor 2 Stufen)-Variante ARTS-DTL
Die Höhe der HDL ist abhängig von Kompressor-Leistung und Typ. Dieses Konzept der ARTS Innovation ist mit einem Schraubenkompressor versehen (1), welcher vom Motor über einen Zahnriemen-Reduktionsmechanismus (1.1), gekoppelt durch elektromagnetische Kupplung (1.2), betrieben wird (Wirkungsgrad 80 %, bis 2,5% der Motorleistung benötigt,). Siehe Bilder an der Zeichnungen Seite 19.
Nachdem die REC-Druckhöhe im [HDB] einen bestimmten Druckstand erreicht (ca. 75 % von p_HDL), gemessen vom Hochdrucksensor [HDS], schaltet der Steuerungscomputer über elektromagnetische Kupplung (1.2) den Hochdruckkompressor (1) ein. Er bleibt in Betrieb bis der Nominaldruck im Hochdruckluftbehälter [HDB] erreicht wird (bis 10 sec). Siehe Zeichnungen Seite 7-Variante ARTS-ATL/DTL.
Die Temperaturhöhe von REC ist genauso von der Luftkühlungswirkung abhängig. Weil es sich um eine kleine Menge Luft handelt und in jeden Fall ein sehr hoher Temperaturunterschied vorhanden ist, ist es kein Problem, nach dem Kühlungsprozess fast Umgebungstemperatur zu erreichen.
2-Schritt: EXP-Regulation (Expansions-Steuerungsanlage)
Die HDL expandiert aus dem HDB über ein elektronisch einstellbares Druckregelventil [V-2] in die Expansionskammer (EK). So entsteht die REC-Systemsteuerungsluft die man benutzt, um die Primärladeluft des ATL zu kühlen und zu steuern. REC-Systemluft hat einen Druck von 5 bis 10 bar.
Die Druckhöhe ist vom elektrisch einstellbaren Druckregelventil [V-2] in Abhängigkeit von Lastbereich und Umgebungstemperatur steuerbar.
Um gekühlte Expansionsluft vom Einfluss der Umgebungstemperatur zu schonen, sollen Expansionskammer [EK] und alle Luftleitungen thermisch isoliert werden.
Aus der Expansionskammer expandiert die REC-Luft weiter, über ein elektrisch einstellbares Drosselventil [V-3] zum Steuerungsverteiler [SV], in welchem sich die REC in Zweigleitungen trennt;

– Luftleitung (4)- REC-K (REC-Kinetikluft)
– Luftleitung (5)- REC-B (REC-Bremsluft)

Der Anteil an REC in Zweigleitungen ergibt sich im Steuerungsverteiler [SV] als Balance zwischen eingegebenem Druck vom elektronisch gesteuerten Druckregelventil [V-4] über die Zweigleitung [6] und der Ergebnisdruck im ATL. über Zweigleitung [5].
3-Schritt: LL-Produktion (Turboaufladung ATL/DTL)

– Die Zweigleitung [3] führt die REC-B an die Saugseite des ATL/DTL und bläst in die Gegenrichtung der Umdrehung des Verdichtungsrades(VR). Dabei kühlt die angesaugte Primärluft und bremst die Umdrehung von Verdichtungsrad.
– Bei der Variante ARTS-ATL, führt die Zweigleitung [4] die REC-K an die Druckseite des [ATL] direkt an den Außenkranz der Schaufeln vom Verdichtungsrad (VR). Weil REC unter hoher Geschwindigkeit die rotierenden Schaufeln schlägt, entsteht zusätzliche Rotationsenergie am Verdichtungsrad und erhöht den Druck der Ladeluft. Siehe ATL-Druckdiagramm an den Zeichnungen Seite 1, 2., b-p_REC).
– Bei der Variante ARTS-DTL, führt die Zweigleitung [4] die REC-K an den Turbineneingang von Verdichtungs- und Turbinenkombinationsrad (DTL), siehe Zeichnungen Seite 8; 11; 12. Die kinetische Energie der Expansionsluft REC-K nutzt man für den direkten Antrieb von (DTL).

Im [ATL/DTL] entsteht zwischen REC(15 bis 25%; bis –150°C) und PRIM (Primär Luft-Angesaugte Luft vom ATL; 80%, Umgebungstemperatur ca. 20°C) durch Mischung nach Daltons Gesetz die gewünschte Ladeluft [LL] (kalt und sehr dicht).
Die Zeichnungen Seiten 6-8, stellen Konstruktionskonzepte beider ARTS Varianten dar. Für diese Zeichnungen gilt die vorherige Erklärung, welche mit der Erklärung des pneumatischen Schemas an der Zeichnung Seite 2 beschrieben wurde. Für die REC-Produktion sorgt bei der ATL-Variante, 6.a(1), ein einstufiger Schraubenkompressor (bis 20 bar) und bei der DTL-Variante, 6.b(1), ein zweistufiger Schraubenkompressor (bis 100 bar). Da diese Lösungen der Luftdruckproduktion schon längst bekannt sind, ist es nicht nötig diese Ausführungen genauer zu beschreiben. Dieselbe REC-Luft, benutzt man neben ihrer Hauptfunktion (Motor Aufladung und Steuerung), gleichzeitig aber auch über ein Druckregelventil (V-F) und einen Luftbehälter (FLB) für übrige Funktionen im Wagen (Servoanlage, Schieberdach und Seitenscheibenbetätigung, Klimaanlage usw.). Beim (HDB) handelt es sich um einen Hochdrucktank von 15 bis 25 L, der seinen Platz im Wagen unter den Hintersitzen gegenüber vom Kraftstofftank findet.
An den Zeichnungen Seite 7 und 8 sieht man Konzepte von ARTS-Varianten mit genauer Darstellung von konstruktiven Bauteilen und Steuerungskonzepten. Über den Index der Seite 7 und die vorherige Erklärung ist es einfach dem gesamten ARTS-Prozess zu folgen.
Die Zeichnungen Seite 9-10 stellen das Konstruktionskonzept vom Abgasturbolader (ARTS-ATL) dar. Als Unterschied zum klassischen Abgasturbolader sieht man beim ARTS-ATL am Verdichtungsgehäuse zwei Luftanschlüsse (REC-K und REC-B), die über eine Verteilerdüse (VD), 10.a) und b) die Ladeluftproduktion steuern.
An der Verteilerdüse (VD) befinden sich zwei Kanäle für die Aufteilung und die Führung von REC an den Schauffeln des Verdichtungsrads.
Im REC-B Kanal sind konische Düsen, die schräg in die Richtung der Verdichtungsrad-Saugseite und tangenziell an den Innenkreis des Saugrohres in die Gegenrichtung der Rotation des Verdichtungsrad (VR) ausgebohrt sind (siehe Zeichnungen Seite 16, 16).
An der Außenseite des REC-K Kanals sind Leitlamellen zu erkennen, die REC-K durch Schlitze zwischen (VG) und (VD) in die Rotationsrichtung des (VR) senkrecht an die Außenschaufeln des (VR) führen.
Das Verdichtungsrad (VR) hat an dem Außenkranz schräge Schaufeln, die im Bemessungsverhältnis mit den Leitlamellen am (VR) stehen.
Um Stauung von Abgas bei hohen Umdrehungen der Maschine zu vermeiden, ist das Abgas-Turbinenrad (TR) verhältnismassig größer als beim ARTS-Klassik.
Die Zeichnungen Seite 11-12, 11, 12.a) und b), stellen das Konstruktionskonzept vom Direktturbolader (ARTS-DTL) dar. Dieser Turbolader stellt eine 100% Erneuerung bei der Ladeluftproduktion dar. Der Schwerpunkt bei diesem DTL ist ein kombiniertes Turbinen/Verdichtungsrad (VR/TR). Wie beim ARTS-ATL, gibt es zwei Luftanschlüsse (REC-K und REC-B) an den Ladergehäusehälften (VG) und (TG), die sich in REC-K und REC-B aufteilen um die Ladeluftproduktion zu steuern.
REC-K führt man über Anschlusskanal des (TG) an Turbinenseite von Kombirad (VR/TR) als Hauptantrieb von (DTL).
Die Verteilerdüse (VD) befindet sich in der (VG)-hälfte und teilt in der Variante DTL nur REC-B wie beim ARTS-ATL an Saugseite des Kombirad (VR/TR) auf.
Weil dieser Turbolader ohne Erwärmung arbeitet, es ist nun möglich ein Kombirad (VR/TR) aus einen Konstruktionskunststoff mit Verstärkungsfaser (Kohlenfaser, Kewlarfaser) zu produzieren, was ihn viel leichter macht. Außerdem ist (VR/TR) mit einer Ummantelungsdüse vorgesehen um Spaltenverluste zu verringern und Wirkungsgrad wesentlich zu verbessern.
Die Zeichnungen Seiten 13-16, stellen das Steuerungskonzept des ARTS dar. Am 13, ist die Steuerungskette des ARTS in drei Stufen unterteilt:

1-EGP: – Elektronische Gas Pedale
2-STEU: – Steuerungscomputer
3-EXP: – Expansionsanlage

Die Elektronische Gaspedale (EGP) wirkt, wie gewöhnlich, als Eingabegerät. In Normal-mod, durch Positionstiefe des Pedals (α) gibt man wie gewöhnlich den Arbeitsparameter an den Steuerungscomputer des Motors ein.
Im Overbursting-mod, wirkt die Schnelligkeit der Betätigung des Pedals (ώ) über den Steuerungscomputer als Multiplikationsfaktor bei der Berechnung der Arbeitsparameter.
Der Steuerungscomputer(STEU) berechnet nach Dateneingabe von EGP (α + ώ), nach Zustanddaten von Systemsensoren (Q_PRIM = Menge der PRIM-Luft, T_U = Umgebungstemperatur, T_HDB = Temperatur der Luft im HDB, p_HDB = Luftdruck im HDB, n = u/min) und gespeicherten Eigenschaften von (ATL/DTL), die Steuerungsparameters. Die Berechnung basiert auf den gewöhnlichen thermodynamischen Gleichungen für adiabatische Kompression/Expansions-Verfahren und Daltons Gesetz. Ausgangssignale benutzt man für Steuerung von pneumatischen Ventilen der Expansionsanlage, Kraftstoffeinspritzanlage und die HDL-Produktion.
Expansionsanlage(EXP) besteht aus einem elektronisch geregeltem Expansionsventil (V-2) gesteuert von Steuerungssignal S-2 mit welchem man stalltet konstanten Systemdruck (ca. p_S > 5 bar beim ARTS-ATL; p_S > 10 bar beim ARTS-DTL) beim Expansion von REC aus HDB in Expansionskammer (EK) für eine bestimmte Teillast. Damit entsteht die erste Fase der Expansionskühlung von REC, deswegen soll EK stark thermisch isoliert werden.
Weiterhin expandiert REC aus dem (EK) über ein elektronisch geregeltes Drosselventil (V-3), durch Steuerungssignal (S-3) gesteuert. Steuerungscomputer bestimmt einen Anteil von REC im Ladeluft nach angaben des Massenanteils der PRIM-Luft(Luftmengemesser – 8 – 7 und 8.) und Hochdrucksensors (HDS). Nämlich, da die Luftdruck im HDB variiert zwischen eine Nominalwert (Maximaldruck) und Einschaltwert (beim ca.75% von Nominalwert – schaltet sich wieder Kompressor, um HDB nachzufüllen, ein), um konstante Temperatur der Ladeluft zu halten variiert STEU Anteil der REC-Expansionsluft über S-3 an Drosselventil (V-3).
Über die Luftleitung (3) expandiert REC weiter durch Steuerungsverteiler (SV) über Zweigleitungen (5) und (4) nach (ATL/DTL).
Gleichzeitig bestimmt ein elektronisch gesteuertes Druckregelventil (V-4) über Steuerungssignal (S-4) den Ladeluftdruck (LL)-Luftleitung (6) am Steuerungsverteiler (SV) für dieselbe Teillast. Die Aufteilung von REC auf die Zweigleitungen (5) und (4) ergibt sich im Steuerungsverteiler (SV), 14. über automatische Positionierung von beweglichen Regulationskolben (RK) als Balance zwischen Eingabedruck von (V-4) und Ergebnisdruck der LL an der Verdichtungssaite der Turbolader.
Wenn der Eingabedruck (Luftleitung-6) größer ist als der Ergebnisdruck der LL, 15, bewegt sich der Dosierungskolben (DK) in Richtung Ergebnisdruckeintritt und führt größere Menge von REC-K über die Zweigleitung (4) an Turbinenschaufeln von (ATL/DTL) und damit treibt die Umdrehung der Turbine kräftig an. Als folge, baut sich Druck der Ladeluft (LL) auf. Siehe Zeichnungen Seite 15 und 16.
Wenn der Ergebnisdruck der LL (Luftleitung-7) größer ist als der Eingabedruck, 16, bewegt sich der Dosierungskolben (DK) in Richtung Eingabedruckeintritt, führt größere Menge von REC-B über die Zweigleitung (5) an Saugseite von (ATL/DTL) und damit „Bremst" die Umdrehung der Turbine. Als folge, baut sich Druck der Ladeluft (LL) ab.
Die Turboladervariante (ATL/DTL); Wie gewöhnlich, das Verdichtungsrad (VR) zieht die Umgebungsluft an (PRIM) und komprimiert sie. Um die Erwärmung der verdichteten Luft zu vermeiden (bis 150°C) und Kontrolle über den Ladeluftdruck und Temperatur zu ermöglichen, mischt man bei ARTS Innovation diese PRIM-Luft mit einem gewissen Anteil tiefgekühlter expansions-Luft (bis –150°C) in zwei getrennte Wege; REC-B („Bremsluft") und REC-K („Kinetikluft").
REC-B; Als erstes, baut Druck der LL ab. Als zweites. wirkt REC-B durch Mischung mit PRIM als Vorkühlungsmittel.
REC-K; Als erstes, übergibt der Strahl die kinetische Energie der expandierenden Luft an die Schaufeln des Verdichtungsrades und baut zusätzlichen Ladedruck im Turbolader auf (Siehe Zeichnungen Seite 3, 4c.-Diagramm Ladedruck-p_REC). Das ist sehr wirksam beim niedrigen Motordrehzahlen, wegen kleineren Abgasmengen und besonderes bei der Laständerung (Turboloch!). Als zweites wie üblich wirkt expandierender Luft als Kühlungsmittel durch Mischung mit angesaugter Luft von Turbolader.
Rückluftleitung (7) zwischen der Druckseite des ATL und dem Steuerungsverteiler(SV) gleicht dem LL-Ergebnisdruck mit dem Eingegebenen-LL Druck über die Steuerungskette;
EGP(α)-STEU(S-3)-EXP(V-4)-(6)-EXP(SV)
Durch die Balance der Position des Dosierungskolbens (DK) zwischen Eingabedruck und LL-Ergebnisdruck halten Anteile von REC-B und REC-K den Ladeluftdruck konstant.
Wirkungen der ARTS – Innovation
Grundgedanke von ARTS – Innovation ist ein kompromissloser Turbomotor, der durch eine deutliche Verbesserung und Teillastbedeckung des effektiven motorischen Wirkungsgrades das Unmögliches, gleichzeitig viel höhere Fahrleistungen und Verminderung des Kraftstoffverbrauchs, ermöglicht.
Die echte Bedeutung dieser Expansionssteuerung ist, dass man damit Parameter der LL (p_LL – Ladeluftdruck, T_LL-Ladelufttemperatur und damit d_LL-Ladeluftdichte), beim einer bestimmten Teillast über den ganzen Bereich der Motorumdrehungen konstant halten kann. Diese Luft-Orientierendes Steuerungstechnik ermöglicht λ, den Luft-Überschuss Koeffizienten, immer konstant zu halten und damit eine echte Stehisometrische Dosierung von Kraftstoff. Damit gestaltet ARTS Innovation einen viel effektiven Wirkungsgrad über das ganze Lastspektrum des Verbrennungsmotors und viel weniger Kraftstoffsverbrauch.
Dieses Luftbasierende stehiometrische Steuerungsystem macht Kraftstoffverbrauch Programmierbar nach wünsch des Fahrers. Durch einfache Eingabe von bestimmten Verbrauch-Ziel Steuerungscomputer begrenzt maximalen zugelassene Ladeluftdruck und damit maximale Leistung des Motors (Beispiel: Stadtfahrt)!
Berechnungsergebnisse, die basierend sind an mittleren effektiven Verbrennungsdruck zeigen revolutionierende Vorteile von ARTS gegen jetzigen Stand der Technik. Siehe Tabellen und Diagrame an den Zeichnungen Seiten 17 und 18.
LITERATUR:

– Kraftfahrtechnisches Taschenbuch/Bosch Braunschweig; Wiesbaden: Viehweg, 1999
– Prakticar 3/B.Kovac Skolska knjiga Zagreb 1973
– Temelji automatike/J.Bozicevic Skolska knjiga Zagreb 1987
– Nauka o toplini/A.Kostelic Skolska knjiga Zagreb 1965
– Motori 1/M.Mikulicic Skolska knjiga Zagreb 1976
– Fachkunde Kraftfahrzeugtechnik/mehrere Autoren Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co., 42781 Haan-Gruiten 1999
– Turbo- und Kompressormotoren Entwicklung, Technik, Typen/Hack-Langkabel Motorbuch Verlag, Postfach 103743, 70032 Stuttgart 1999
– Screw Compressors: Future Developements/Prof.N.Stosic Royal Academy Chair in Positive Displacement Compressor Technology Department of Mechanical Engineering and Aeronautics, City University (im Internet veröffentlicht)
– Announce – ELGI Micro Rotary Compressor ELGI Equipments, Limited (im Internet veröffentlicht)
Zeitschriften: – Auto Motor und Sport: Heft 8, 31. März 2004 Heft 13, 9. Juni 2004 Heft 15, 9. Juli 2003

Claims

ARTS-System, das durch Expansionsregulation der Hochdruckluft den Turbolader steuert und damit eine reine stichiometrische Verbrennung, bzw. ein konstantes Drehmoment und trotz einer viel stärkeren Leistung und geringerem Hubraum einen kontrolliert reduzierten Kraftstoffverbrauch erreicht. Das kennzeichnet sich dadurch, dass ein Kompressor (1) in einem separaten Prozess Umgebungsluft komprimiert, mit welchem durch einen Luftkühler (2) ein Hochdruckluftbehälter (HDB) gefüllt wird. Aus diesem Behälter expandiert die Luft über die Expansionssteuerungsanlage (EXP) zum Turbolader, welchen es in zwei Ausführungen gibt, Abgasturbolader (ATL) und Direktturbolader (DTL).
Die Expansionsanlage, besteht aus einer Expansionskammer (EK), einem elektronisch gesteuertem Druckregelventil (V-2), einem elektronisch gesteuertem Drosselventil (V-3), einem elektronisch gesteuertem Druckregelventil (V-4) und einem Steuerungsverteiler (SV). Der Steuerungsverteiler besteht aus einem Gehäuse (GSV) mit Luftanschlüssen und einem beweglichen Regulationskolben (RK).
Der Abgasturbolader (ATL) hat zwei zusätzliche Expansionsluftanschlüsse (REC-A) und (REC-B), welche durch die Verteilerdüse an der Saugseite des Turboladers die Produktion der Ladeluft steuert. Die Verteilerdüse kennzeichnet sich durch zwei Sammelkanäle für Expansionsluft, durch Düsenöffnungen und Leitlamellen, welche die zugeführte Expansionsluft am Verdichtungsrad VR) verteilen. Der Direktturbolader (DTL) besteht aus zwei Turbinengehäusehälften, an denen sich Expansionsluftanschlüsse befinden. Die Verteilerdüse, durch welche der Turbolader aus der Umgebung Luft ansaugt, kennzeichnet sich durch einen Sammelkanal für Expansionsluft und Düsenöffnungen. Im DTL befindet sich ein Verdichtungs- und Turbinenkombinationsrad (V-R/T-R), erklärt anhand Zeichnung 11. und 12. Die ARTS-Steuerung besteht aus einer elektronischen Gaspedale (EGP), einem Steuerungscomputer (STEU) und der bereits erläuterten Expansionsanlage (EXP). Die elektronische Gaspedale (EGP) ist gekennzeichnet durch die Position in die die Pedale gedrückt wird, dienend der Lastbereichregulation und der Geschwindigkeit der Pedalenbetätigung, welche den overbursting-mode bestimmt.