DE102004037763B4

DE102004037763B4 - Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102004037763B4
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: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2024-08-05
Also published as: DE102004037763A1

Abstract

Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem Kompressorssystem (1), das in einem separaten Prozess Umgebungsluft komprimiert und kühlt, mit welcher ein Hochdruckluftbehälter (2) gefüllt wird, aus dem die Hochdruckluft (REC) über eine Expansionsanlage (EXP) zu dem Turbolader (ATL, DTL) geführt wird, um das Verdichterrad des Turboladers (ATL, DTL) entsprechend dem geforderten Ladedruck anzutreiben oder abzubremsen, wobei die Hochdruckluft (REC), im Turbolader (ATL, DTL) mit der angesaugten Umgebungsluft (PRIM) zur Ladeluft vermischt, aus dem Turbolader direkt zu der Brennkraftmaschine (11) geführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem Kompressor, der in einem separaten Prozess die Umgebungsluft komprimiert, mit welcher über einen Luftkühler ein Hochdruckbehälter gefüllt wird, aus dem die Luft über eine Expansionsanlage zu dem Turbolader geführt wird.
Stand der Technik
Die klassischen Turbosysteme sind bei der Beschleunigung verzögerungsanfällig. Mit dem Betätigen des Gaspedals, mit dem wir Beschleunigen wollen, führen wir dem System eine, zusätzliche Menge Treibstoff zu. Eine entsprechende stöchiometrische Luftmenge, die man braucht um eine größere Menge Treibstoff zu verbrennen, folgt nach einer Kettenreaktion des Regulationssystems und verbraucht Zeit (die Verzögerung des Ladeluftsystems ist bekannt als Turboloch).
Obwohl man durch VTG oder Bi-Turbo Lösungen diese Turboverzögerung schon durch zusätzliche Abgas-Regulation in den Griff bekommen hat, ist der Umdrehungs-Arbeitsbereich der heutigen Turbomaschinen noch immer sehr eingeschränkt.
Mehrere Erfindungen möchten dieses Problem mittels zusätzlicher komprimierter Luft lösen.
In der DE 101 58 874 A1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, mit einer dem Verdichterbereich zugeordneten Zusatzluft-Einspeisungseinrichtung, die einen Zusatzluftkanal im Verdichtergehäuse für die Zuführung von Zusatzluft umfasst, die über eine Einblasöffnung in der Wandung des Einströmkanals des Verdichters in den Anströmbereich des Verdichterrades einzuleiten ist. Die Zusatzluft-Einspeisungseinrichtung umfasst einen Zusatzluftspeicher, der mit dem Zusatzluftkanal, über eine Verbindungsleitung verbunden ist, in dem einen einstellbaren Ventil angeordnet ist. Der Zusatzluftspeicher ist über eine Verbindungsleitung mit dem Ansaugtrakt stromab des Verdichters verbunden, wobei in der Verbindungsleitung ein einstellbares Ventil angeordnet ist.
Damit ist ein Verfahren beschrieben zum Betrieb einer Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, insbesondere mit einem Abgasturbolader, bei dem in den Beschleunigungsphasen des Motors Zusatzluft in den Anströmbereich des Verdichterrades im Verdichter-Einströmkanal eingespeist wird, wenn die Laderdrehzahl einen Schwellenwert erreicht oder auf einen vorgegebenen Ladedruck-Sollwert im Ansaugtrakt haltenden Wert eingestellt wird.
Vor dem Einspeisen der Zusatzluft wird in den Anströmbereich des Verdichterrades zunächst Zusatzluft in den Ansaugtrakt stromab des Verdichters eingeblasen, bis der Ladedruck im Ansaugtrakt einen Ladedruck-Sollwert erreicht.
In der DE 199 44 946 A1 wird eine Anlage zur Aufladung von Verbrennungsmotoren außerhalb des optimalen Arbeitsbereichs des zur, Aufladung vorgesehenen Laders beschrieben:, bestehend aus einem Druckgefäß, einem Ventil und einem Druckerzeuger, wobei mit Hilfe des Druckerzeuger in weiten Bereichen kontinuierlich Gas in den Druckbehälter gefördert wird, wodurch ein Überdruck im Druckgefäß entsteht, welcher mit Hilfe des Ventils jederzeit dazu genutzt werden kann, Gas in die Brennräume des Verbrennungsmotors zu fordern, bei der als Gas Luft verwendet wird. Das Druckgefäß wird entweder mit einem mechanisch an die Kurbelwelle oder an einen der Nebenantriebe, z. B. die Nockenwelle, gekoppelten oder mit einem elektrisch betriebenen Kompressor mit Druck versorgt, und das Druckgefäß wird aktiv gekühlt. Weiter umfasst die Anlage ein Rückschlagventil oder eine Rückschlagklappe im Ansaugtrakt des Motors, mit welcher verhindert wird, dass das aus dem Druckgefäß ausströmende Gas von den Brennräumen weg abströmt.
Diese beiden Aufladesysteme sind hauptsächlich daran orientiert das „Instationärverhalten" der Turbomaschinen zu verbessern. Im „stationären" Betrieb bleibt die Zusatzluft bei beiden beschrieben Systemen „arbeitslos", damit ist fraglich, ob ein Einbau von Zusatz-Kompressionssystem in einem Wagen zu rechtfertigen ist. Außerdem wird die Expansionsenergie der Komprimierten Luft nach der DE 199 44 946 A1 nicht durch Beschleunigung des Abgasturboladers zurückgeholt. Durch intermittierende Anwendung der komprimierten Luft wird es sehr problematisch sein einen einwandfreien Übergang vom „instationären" zum „stationären" Betrieb zu schaffen. Die Druck- und Temperaturpulsationen (wechselhafte Ladeluftdichte), die dabei entstehen, verursachen Störungen in den Funktionen des Abgasturboladers. Damit stellt sich dort die schwere Aufgabe, einen Regulationsprozess so zu gestalten, dass ein einwandfreies Luft-Kraftstoffverhältnis gewährleistet und damit ein Verringern des effektiven Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine vermieden wird.
Obwohl die Zusatzluft bei der Expansion während der Beschleunigung einigermaßen die Ladeluft abkühlt, besonders im „stationären-Betrieb" für beide Turbosysteme, ist ein zusätzlicher Ladeluftkühler zwischen Turbolader und Brennkraftmaschine erforderlich.
Die Störungselemente und sehr lange „Wege" zwischen dem Turbolader und der Brennkraftmaschine verursachen eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit der Luft beim Eintritt in den Motorzylinder (mangelhafte Zylinderfüllung) und Stauungsprobleme beim Abgasaustritt aus dem Motor (Drosselung der Verbrennung bei hohen Drehzahlen). Als Folge schränkt sich wieder der Umdrehungs-Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine ein.
Ausgehend von diesen Nachteilen dieses Standes der Technik besteht die im anmeldungsgemäßen Zusammenhang zu lösende Aufgabenstellung also darin, ein gattungsgemäßes Aufladesystem so weiter zu entwickeln, dass alle Vorteile der komprimierten Luft (die Expansionsenergie, das Kühlungspotenzial, Unabhängigkeit vom Arbeitszustand der Maschine, Unabhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur, stöchiometrische Dosierung) für die kontinuierliche Turboaufladung genutzt werden können, und es so einerseits möglich ist, den Turbolader entsprechend den Betriebsbedingungen verzögerungsfrei auf die erforderliche Drehzahl zu bringen und anderseits die zusätzliche Anordnung eines Ladeluftkühlers zwischen Turbolader und Brennkraftmaschine zu vermeiden, so dass eine rein stöchiometrische Verbrennung, ein konstantes Drehmoment und ein geringeren Kraftstoffverbrauch bei programmierbarer höherer Leistung und geringem Hubraum erreicht wird.
Im Ablauf der weiteren Erfindungsbeschreibung wird eine weiterentwickelte Turboaufladung dargestellt, bei der durch kontinuierlichen Einsatz der Hochdruckluft über eine Expansionsanlage der Druckaufbau und die Kühlung der Ladeluft gleichzeitig direkt im Turbolader erreicht werden.
Beschreibung
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst 1. Das erfindungsgemäße Aufladesystem wird im Weiteren auch als „ARTS-Innovation" bezeichnet, was für „air-recovering turbocharging system" steht, und beschrieben gemäß Index und Zeichnungen 1 bis 12.

PRIM: Angesaugte Luft vom Turbolader (ca. 80%)
REC: Hochdruck Kompressorluft (ca. 20%)
1: Hochdruckkompressionsanlage
2: Hochdruckluftbehälter
3: Leitung REC–Steuerungsluft
4: Leitung REC-K(Kinetikluft – treibt Verdichtungsrad an)
5: Leitung REC-B(Bremsluft – bremst Verdichtungsrad)
6: Leitung Eingabedruck-Steuerungscomputer via Ventil V-4
7: Leitung Ergebnisdruck- von ATL/DTL Druckseite
8: PRIM-Luftmengemesser
9: Ladeluft Krümmer
10: Abgas Krümmer
V-1: elektronisch gesteuertes Hochdruckregelventil
V-2: elektronisch gesteuertes Steuerungsdruckregelventil
V-3: elektronisch gesteuertes REC-Drosselventil
V-4: elektronisch gesteuertes Eingabedruckregelventil
V-F: Druckregelventil für zusätzliche Funktionen im Wagen
HDS: Hochdrucksensor
EXP: Expansionssteuerungsanlage
EK: Expansionskammer
SV: Steuerungsverteiler für REC-Luft
RK: Regulationskolben (SV)
GSV: Gehäuse (SV)
REC-B: Bremsluft des Verdichtungsrades im ATL/DTL
REC-K: Antriebsluft des Verdi grades im ATL/DTL
ATL: Abgasturbolader
DTL: Direktturbolader
VD: Verteilerdüse des Turboladers
VR: Verdichtungsrad (nur beim ATL)
TR: Turbinenrad (nur beim ATL)
DT: Doppelturbine (nur beim DTL)
LL: Ladeluft
KEA: Kraftstoffeinspritzanlage
STEU: Steuerungscomputer
EGP: Elektronische Gaspedale
11: Brennkraftmaschine

An den Zeichnungen Seite 1, 1.a und 1.b, stellen Motorpläne die zwei Erfindungsvarianten dar. Beide Varianten funktionieren nach gleichem Prinzip.
Ein Hochdruckkompressor 1, komprimiert und kühlt eine kleine Menge Umgebungsluft REC und speichert sie in einem Hochluftdruckbehälter 2. Über eine Expansionsanlage EXP expandiert die Luft aus dem Hochdruckluftbehälter zum Turbolader (ATL, DTL), wo die expandierende Luft einen Teil der kinetischen Expansionsenergie dem zusätzlichen (Variante ARTS-ATL) oder dem ganzen (Variante ARTS-DTL) 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 störungsfreie Verbindung zwischen Turbolader und Maschine gewährleistet!
Bei der Erfindungsvariante ARTS-ATL (Abgasturboaufladung), 1.a, 2, 4, 5, benutzt man eine Kombination aus kinetischer Energie der Expansionsluft und der Abgase für die Produktion von Ladeluft. Das Turbinenrad hat im Vergleich zum klassischen ATL-Turbinenrad einen größeren Durchmesser, abgestimmt am größten Abgasdurchlauf. Es sind keine Drosselschaufeln, keine Drosselklappen und keine Bypässe (Waste-Gates) mehr nötig! Die Ansprechbarkeit bei der Laständerung (Massenträgheitsproblem) spielt bei dieser Erfindung keine große Rolle. Das Problem der Ansprechbarkeit löst die kinetische Energie der expandierenden Hochdruckluft REC viel effizienter.
Bei der Erfindungsvariante ARTS-DTL (Direktturboaufladung), 1.b, 3, 6, 7, benutzt man nur die kinetische Energie der Expansionsluft bei der Produktion der Ladeluft (Nur Hochdruckluft – keine Abgase!).
Die Kühlung der Ladeluft, die sich beim heutigen Stand der Technik zwischen dem Turbolader und der Brennkraftmaschine befindet, findet bei dieser Erfindung gleichzeitig mit Luftdruckaufbau im Turbolader (ATL, DTL) statt. Zwischen Turbolader und Brennkraftmaschine existieren keine Störungselemente mehr, nur ein kurzer, freier Kanal 9. Die Temperatur der Ladeluft kann bei Bedarf (Sommer!) unter der Temperatur der Umgebungsluft liegen.
An den Zeichnungen Seite 8 bis 12 wird die Steuerung der Turboexpansion in drei Schritten erläutert:
1. Schritt: REC Produktion
Nachdem die Druckhöhe im Hochdruckbehälter 2 einen bestimmten minimalen Druckstand erreicht hat, gemessen vom Hochdrucksensor DS, schaltet der Steuerungscomputer den Hochdruckkompressor 1 ein. Der Hochdruckkompressor 1 komprimiert die Umgebungsluft über einen Luftkühler und einen Druckregelventil V-1 im Hochdruckbehälter 2 und bleibt in Betrieb bis der Nominaldruck im Hochdruckluftbehälter 2 erreicht wird. Die Temperaturhöhe der komprimierten Luft REC ist genauso von der Luftkühlung abhängig. Weil es sich um eine kleine Menge Luft handelt und in jedem Fall ein sehr hoher Temperaturunterschied vorhanden ist, ist es kein Problem, nach dem Kühlungsprozess fast Umgebungstemperatur zu erreichen.
2. Schritt: EXP-Regulation
Die HDL expandiert aus dem HDB über ein elektronisch einstellbares Druckregelventil V-2 in die Expansionskammer EK an einem Systemsteuerungsdruck. Die Druckhöhe ist von den Eingeschafften der Steuerungsventile abhängig.
Um gekühlte Expansionsluft vor dem Einfluss der Umgebungstemperatur zu schützen, sollen die Expansionskammer EK und alle Luftleitungen thermisch isoliert werden. Aus der Expansionskammer expandiert die REC weiter über ein elektrisch einstellbares Drosselventil V-3 zum Steuerungsverteiler SV, in welchem sich die REC in Zweigleitungen trennt;
Über die Luftleitung 4 wird Antriebsluft (Kinetikluft) REC-K und über die Luftleitung 5 Bremsluft REC-B bereit gestellt.
Der Anteil an der expandierenden Luftart (REC-K, REC-B), in den Zweigleitungen, ergibt sich im Steuerungsverteiler SV als Balanceposition des Regulationskolbens RK zwischen Eingabedruck („Sollwert”) und Ergebnisdruck („Istwert”) im „Spiralkanal" des Turboladers (ATL, DTL)(Zeichnungen Seite 10, 11, 12).
3. Schritt: LL-Produktion (ATUDTL)
Aufbau der Ladeluftdruck (REC-K Einsatz):

• Bei der Erfindungsvariante-ATL, führt die Zweigleitung 4 die expandierende Luft REC-K, über Leitlamellen in der Verteilerdüse VD, an den Außenkranz (Druckseite) des Verdichtungsrads VR und bläst die Schaufeln in Umdrehungsrichtung. Dabei entsteht ein zusätzliches Rotationsmoment am Verdichtungsrad VR und erhöht den Druck der Ladeluft im „Spiralkanal" des Turboladers. Durch die Mischung zwischen der Expansionsluft REC-K und komprimierter PRIM (Dalton's Gesetz) im „Spiralkanal" des Turboladers entsteht optimale Ladeluft LL.
• Bei der Erfindungsvariante-DTL führt die Zweigleitung 4 die expandierende REC-K an den Turbineneingang der DTL, siehe Zeichnungen Seite 3, 6 und 7, wobei die Expansionsluft REC-K die Schaufeln an der Turbinenseite bläst und das Doppelturbinenrad DT dreht. Durch die erzeugte Umdrehung, komprimieren die Schaufeln der Ansaugseite des Doppelturbinenrads DT angesaugte Luft PRIM im „Spiralkanal". Durch die Mischung zwischen die Expansionsluft REC-K und komprimierter Ansaugluft PRIM (Dalton's Gesetz) im „Spiralkanal" des Turboladers entsteht optimale Ladeluft LL. Abbau der Ladeluftdruck (REC-B Einsatz):
• Die Zweigleitung 3 führt die Expansionsluft REC-B über die Verteilerdüse VD an die Saugseite des Turboladers (ATL/DTL), und bläst über die konischen Düsen-Öffnungen schräg nach vorne an die Schaufeln des Verdichtungsrades VR in die Gegenrichtung der Umdrehung. Dabei kühlt die Expansionsluft REC-B gleichzeitig, durch Mischung, die angesaugte Luft PRIM und bremst die Umdrehung des Verdichtungsrads.

Die Zeichnungen Seite 4 und 5 stellen das Erfindungskonzept des Abgasturboladers (ATL) dar. Als Unterschied zum klassischen Abgasturbolader sind bei der Erfindungsvariante-ATL am Verdichtungsgehäuse zwei Luftanschlüsse (REC-K und REC-B), die über eine Verteilerdüse VD die Ladeluftproduktion steuern.
An der Verteilerdüse VD befinden sich rundum zwei Kanäle für die Aufteilung und die Führung von REC an den Schaufeln des Verdichtungsrads.
Im REC-B Kanal sind konische Düsen vorhanden, die schräg in die Richtung der Verdichtungsrad-Saugseite und in die Gegenrichtung der Rotation des Verdichtungsrad VR ausgebohrt sind.
An der Außenseite des REC-K Kanals sind Leitlamellen zu erkennen, die die expandierende Luft REC-K durch Schlitze zwischen dem Verdichtungsgehäuse und der Verteilerdüse VD in die Rotationsrichtung an den Außenkranz der Schaufeln des Verdichtungsrads VR führen.
Das Verdichtungsrad VR hat an dem Außenkranz schräge Schaufeln, die im Verhältnis mit den Leitlamellen am VR stehen.
Wie schon erwähnt, um Stauung des Abgases bei hohen Umdrehungen der Brennkraftmaschine zu vermeiden, ist das Abgas-Turbinenrad TR verhältnismäßig größer als beim Klassik-ATL.
Die Zeichnungen Seite 6 und 7 stellen das Erfindungskonzept des Direktturboladers DTL dar. Im Schwerpunkt, bei diesem DTL, steht ein Doppelturbinenrad DT, das aus zwei zueinander ausgerichteten Luftturbinenhälften besteht. Die Luftturbinenhälfte, an der Saugseite des Turboladers DTL, funktioniert als Verdichtungsrad beim ATL. Die Luftturbinenhälfte, an der Lagerseite des Turboladers DTL, übernimmt die Funktion des Turbinenrads, ähnlich wie beim ATL, wird aber in diesem Fall nur durch die Expansionsluft REC-K angetrieben. Optional ist das Doppelturbinenrad DT mit einer Ummantelungsdüse versehen, um Spaltenverluste zu verringern und den Wirkungsgrad wesentlich zu verbessern. Wie bei der Erfindungsvariante ATL, gibt es zwei Luftanschlüsse (REC-K und REC-B) an den Gehäusehälften. Der Anschluss für die Expansionsluft REC-K führt über einen Kanal rund um das Lagergehäuse zu den Schaufeln der Turbinenhälfte. Die Verteilerdüse VD, beim Direktturbolader DTL, befindet sich im Saugkanal des Direktturboladers und hat nur den REC-B Kanal und die Düsenöffnungen in der gleichen Ausführung wie bei der ATL-Variante.
Die Zeichnungen Seiten 9, stellen das System-Steuerungskonzept-ARTS dar.
Das Elektronische Gaspedal EGP wirkt, wie gewöhnlich, als Eingabegerät.
Standard-mod: Der Steuerungscomputer „übersetzt" die Positionstiefe des Pedals (a) in den gewünschten Ladeluftdruck.
Im Overbursting-mod wirkt die Schnelligkeit der Betätigung des Pedals (ῴ) über den Steuerungscomputer als Multiplikationsfaktor bei der Berechnung der Arbeitsparameter.
Der Steuerungscomputer STEU berechnet nach der Dateneingabe von EGP (a + ῴ)), nach den von den Systemsensoren (Qp_RIM = Menge der PRIM-Luft, T_U = Umgebungstemperatur, P_HDB = Luftdruck im (2), n = u/min) gelieferten Zustanddaten und den gespeicherten Eigenschaften der Turbolader (ATL, DTL) den benötigten Steuerungsparameter. Die Berechnung basiert auf den gewöhnlichen thermodynamischen Gleichungen für die Kompression-/Expansions-Verfahren und Daltons Gesetz. Ausgangssignale benutzt man für die Steuerung von pneumatischen Ventilen der Expansionsanlage, Kraftstoffeinspritzanlage und die Produktion der Hochdruckluft.
Die Expansionsanlage EXP besteht aus mehreren elektronisch geregelten Pneumatikventilen:

• Das Expansionsventil V-2, gesteuert vom Steuerungssignal S-2; stellt einen konstanten Systemdruck in der Expansionskammer EK ein („Systemwert").
• Das Drosselventil V-3, gesteuert von Steuerungssignal S-3, stellt die Menge der Expansionsluft REC ein. („Berechnungswert").
• Das Druckregelventil V-4, gesteuert vom Steuerungssignal S-4, stellt den Ladeluftdruck LL über die Luftleitung 6 am Steuerungsverteiler SV ein („Eingabewert").
• Der Steuerungsverteiler SV stellt den eingegebenen Ladeluftdruck LL im Turbolader (ATL, DTL) ein. Der Anteil an expandierender Luftart (REC-K, REC-B) in der Zweigleitungen ergibt sich im Steuerungsverteiler SV analog als Balance-Position des Regulationskolbens RK zwischen dem Eingabedruck („Sollwert”) des elektronisch gesteuerten Druckregelventils V-4 über die Zweigleitung 6 und dem Ergebnisdruck („Istwert”) im „Spiralkanal” des Turboladers (ATL, DTL) über die Zweigleitung 5 (Zeichnungen Seite 10, 11, 12).

Wenn der Eingabedruck (Luftleitung-6) größer ist als der Ergebnisdruck der LL, bewegt sich der Dosierungskolben DK in die Richtung des Ergebnisdruckeintrittes und führt größere Menge der Expansionsluft REC-K über die Zweigleitung 4 an die Turbinenschaufeln des (ATL/DTL) und treibt damit die Umdrehung der Turbine kräftig an. Als Folge baut sich der Druck der Ladeluft LL auf (Zeichnungen Seite 11).
Wenn der Ergebnisdruck (Luftleitung-7) größer ist als der Eingabedruck der LL, bewegt sich der Dosierungskolben DK in Richtung des Eingabedruckeintrittes und führt größere Menge der Expansionsluft REC-B über die Zweigleitung 5 an Saugseite des (ATL/DTL) und bremst damit die Umdrehung der Turbine. Als Folge baut sich Druck der Ladeluft LL ab (Zeichnungen Seite 12).
Durch die Balance-Position des Dosierungskolbens DK, zwischen der Eingabe und dem Ergebnisdruck der LL, halten Anteile der Expansionsluft REC-B und REC-K den Ladeluftdruck bei den unterschiedlichen Umdrehungen der Brennkraftmaschine konstant.
Wirkungen der ARTS-Innovation
Der Grundgedanke der Erfindung ist ein kompromissloser Turbomotor, basierend auf Hochdruckluft, der gleichzeitig durch eine deutliche Verbesserung und Teillastbedeckung des effektiven motorischen Wirkungsgrades viel höhere Fahrleistungen und Verminderung des Kraftstoffverbrauchs ermöglicht.
Für die Produktion der Hochdruckluft ist fast jede Art des Minikompressors geeignet, getrieben entweder von der Kurbelwelle über eine Elektrokupplung und einen Reduktionsmechanismus oder von einem Elektromotor. Nach mathematischen Modellen liegt der benötigte Kompressionsdruck zwischen ca. 10 und 100 bar (eins oder mehrstufigen Kompressorsystemen). Für die Produktion der Hochdruckluft muss mit 2–5% der Leistung der Brennkraftmaschine gerechnet werden.
Weil die Lösungen für die Produktion der Hochdruckluft kein Thema der Patentanmeldung sind, ist es nicht nötig, diese genauer zu beschreiben. Dieselbe Hochdruckluft wird, neben ihrer Hauptfunktion (Aufladung und Steuerung), auch für weitere Funktionen im Wagen (Servoanlage, Schieberdach und Seitenscheibenbetätigung, Klimaanlage usw.), benutzt. Der Hochdrucktank (ca. 15 bis 25 L) wird zum Beispiel problemlos seinen Platz im Wagen unter den Hintersitzen gegenüber vom Kraftstofftank finden.
Dank der Eigenschaften der Hochdruckluft macht es die Erfindung möglich, die Parameter der Ladeluft (Ladeluftdruck, Ladelufttemperatur und damit Ladeluftdichte) über den ganzen Bereich der Motorumdrehungen konstant zu halten. Diese luftorientierende Steuerungstechnik ermöglicht es, λ den Luft-Überschuss-Koeffizienten, bei unterschiedlicher Teillast und Maschinen-Umdrehungen, stabil zu halten und damit eine wirkungsvolle stöchiometrische Dosierung von Kraftstoff zu gestatten. Aus diesem Grund wird auch das Drehmoment konstant, die Leistung linearproportional, ein viel effektiverer Wirkungsgrad im gesamten Arbeitspektrum erreicht und ein geringerer Kraftstoffsverbrauch ermöglicht.
Dieses luftbasierende stöchiometrische Steuerungssystem macht den Kraftstoffverbrauch und die Leistung, entsprechend den Wünschen des Fahrers programmierbar. Durch einfache Eingabe von bestimmten Verbrauch-Zielen begrenzt die Steuerungsanlage den Ladeluftdruck und damit die Leistung des Motors (Beispiel: Stadtfahrt)!
Berechnungsergebnisse, die auf dem mittleren effektiven Verbrennungsdruck basieren, zeigen deutliche Vorteile der Erfindung gegenüber dem jetzigen Stand der Technik. Im Diagram 13.c wird ein Berechnungsbeispiel (Hubraum = 1000 ccm, FSI-Benzin-Einspritzung mit 20 bar, Verdichtungsverhältnis-14:1) mit einer klassische Diesel-Turbomaschine Maschine verglichen. Dank der ungestörten Luftaufladung und dem geringeren Arbeitsvolumen wird der Arbeitsbereich AB der Brennkraftmaschine sehr breit (Ca 10000 u/min), wie die Diagramme in den 13.b und 13.c zeigen.
Die Erfindung basiert auf bekanten physikalischen Gesetzen (Expansionskühlung, Daltons Gesetz ...) und bringt eindeutige Vorteile:

• Extreme Erhöhung der spezifischen Leistung der Maschine;
• Verringerung des Kraftstoffsverbrauchs aufgrund einer deutlichen Verbesserung des effektiven motorischen Wirkungsgrades, eines kleineren Arbeitsvolumens der Maschine, einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses, einer programmierbarer Leistung, die den Wünschen des Fahrers entsprechen (Autobahn-, Strassen-, Stadtfahrt, Stau etc.) und einer Verringerung des Gesamtgewichts;
• Die Systemansprechbarkeit ist hervorragend. Drehzahl und Leistungssprung entstehen momentan!
• Eine konstant-lineare Moment-Kurve;
• Ein ausgezeichnetes „Overbursting"-Potential;
• Die übrigen Nebenfunktionen im Wagen sind statt elektrisch, pneumatisch
• lösbar;
• Ideal anwendbar in Kombination mit Hybridantrieb;

Claims

Aufladesystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem Kompressorssystem (1), das in einem separaten Prozess Umgebungsluft komprimiert und kühlt, mit welcher ein Hochdruckluftbehälter (2) gefüllt wird, aus dem die Hochdruckluft (REC) über eine Expansionsanlage (EXP) zu dem Turbolader (ATL, DTL) geführt wird, um das Verdichterrad des Turboladers (ATL, DTL) entsprechend dem geforderten Ladedruck anzutreiben oder abzubremsen, wobei die Hochdruckluft (REC), im Turbolader (ATL, DTL) mit der angesaugten Umgebungsluft (PRIM) zur Ladeluft vermischt, aus dem Turbolader direkt zu der Brennkraftmaschine (11) geführt wird.
Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsanlage (EXP) aus einer außerhalb des Turboladers (ATL, DTL) angeordneten Expansionskammer (EK) besteht, die an einem Einlass ein elektronisch gesteuertes Druckregelventil (V-2) und an einem Auslass ein elektronisch gesteuertes Drosselventil (V-3) sowie, parallel dazu geschaltet, ein elektronisch gesteuertes Druckregelventil (V-4) aufweist, wobei das elektronisch gesteuerte Drosselventil (V-3) über eine Luftleitung (3) mit einem gesteuerten Gehäuseanschluss eines Steuerungsverteiler (SV) und das elektronisch gesteuerte Druckregelventil (V-4) über einen weitere Luftleitung (6) mit einem Gehäusesteuerungsanschluss für einen Regulationskolben (RK) des Steuerungsverteilers (SV) verbunden ist.
Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ein Abgasturbolader (ATL) ist, dessen Verdichtersrad (VR) auch durch die auf die Turbine (TR) des Abgasturboladers (ATL) angetrieben wird, wobei sich Expansionsluftanschlüsse am Verdichtungsteil des Turboladergehäuses befinden.
Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Turbolader ein Direktturbolader (DTL) ist, der ein ein Verdichter-Turbinen-Kombinationsrad (DT) aufweist, welches nur durch die Kompressionsluft (REC) aus dem Hochdruckluftbehälter (2) angetrieben wird, die auf die Turbinenseite des Kombinationsrades (DT) einwirkt, wobei sich Expansionsluftanschlüsse an dem Turboladergehäuse befinden.
Aufladesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungsverteiler (SV) durch Balance-Positionierung des beweglichen Regulationskolbens (RK) zwischen einem Gehäusesteuerungsanschluss der weiteren Luftleitung (6), der über das elektronisch gesteuerte Druckregelventil (V-4) mit einem Druck als Soll-Druck beaufschlagt wird, und einem Gehäusesteuerungsanschluss der Luftleitung (7), der mit einem Druck als Ist-Druck aus dem Spiral-Verdichtungsraum des Turbolader (ATL, DTL) beaufschlagt wird, die expandierende Luft als Antriebsluft (REC-K) für das Verdichterrad/des Kombinationsrades auf eine Ausgangsleitung (4) des Steuerungsverteilers (SV) oder als Bremsluft (REC-B) auf eine weitere Ausgangsleitung (5) des Steuerungsverteilers (SV) verteilt.
Aufladesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Turbolader ein Abgasturbolader (ATL) ist, die Ausgangsleitung (4) und die weitere Ausgangsleitung (5) an die zusätzlichen Expansionsluftanschlüsse (REC-K, REG-B) des Abgasturboladers (ATL) angeschlossen sind, welche mit der Verteilerdüse (VD) vorzugsweise an der Saugseite des Verdichtungsteils des Abgasturboladergehäuses verbunden sind.
Aufladesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader ein Direktturbolader (DTL) ist, die Ausgangsleitung (4) und die weitere Ausgangsleitung (5) an die zusätzlichen Expansionsluftanschlüsse (REC-K, REG-B) des Direktturboladers (DTL) angeschlossen sind, welche mit Verteilerdüse (VD) an der Saugseite des Direktturboladers (DTL) und einem Rundumkanal an der Lagerseite verbunden sind
Aufladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerdüse (VD) die zwei mit den Expansionsluftanschlüssen (REC-K, REG-B) verbundenen Sammelkanäle für Expansionsluft, Düsenöffnungen und Leitlamellen umfasst, welche die zugeführte Expansionsluft am Verdichtungsrad (VR) verteilen.
Aufladesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerdüse (VD) einen mit dem Expansionsluftanschluss für die Bremsluft (REC-B) verbundenen Sammelkanal, Düsenöffnungen und Leitlamellen an der Ansaugseite des Direktturboladergehäuses (DTL) und einen mit dem Expansionsluftanschluss für die Antriebsluft (REC-K) verbundenen Rundumkanal an der Lagerseite des Direktturboladergehäuses umfasst, welche die zugeführte Expansionsluft am Verdichter Turbinen-Kombinationsrad (DT) verteilen.
Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsanlage (EXP) von einem Steuerungscomputer (STEU) gesteuert wird, der auch die Signale eines elektronischen Gaspedals (EGP) auswertet.
Aufladesystem nach Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerungscomputer (STEU) die Position des elektronischen Gaspedals (EGP) und die Geschwindigkeit der Betätigung des elektronischen Gaspedals (EGP) auswertet.