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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine mit Aufladung
für ein
Kraftfahrzeug, mit einer Ansaugleitung zur Zuführung von Ansaugluft, mit einer
Aufladevorrichtung zur Vorverdichtung der Ansaugluft und mit einem
Steller zur Einstellung der Aufladevorrichtung, wobei der Steller
als Elektromotor ausgebildet ist.
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Bei
modernen Brennkraftmaschinen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, ist es bekannt,
die der Brennkammer des Motors zugeführte Ansaugluft vorzuverdichten.
Diese Vorverdichtung wird allgemein als Aufladung bezeichnet und
erfolgt durch einen Lader, der mit verschiedenen Wirkprinzipien
und Geometrien realisiert sein kann. Eine besonders vorteilhafte
Ausführungsform
eines Laders ist der Radial- oder Turbolader, insbesondere der Abgasturbolader, bei
dem die Energie der aus der Brennkammer des Motors ausgestoßenen Abgase
zum Betrieb des Laders verwendet wird.
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Da
der benötigte
Vorverdichtungsgrad von den aktuellen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine
abhängt,
ist in der Regel ein so genannter Steller zur Einstellung des Laders
vorgesehen. Der Steller ist häufig
als ein Elektromotor ausgebildet, der oft in unmittelbarer Nähe des Laders
montiert ist. Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der
DE 103 48 136 A1 bekannt.
Aus dem Dauerbetrieb des Stellers während des Betriebs der Brennkraftmaschine
ergibt sich eine starke Aufheizung des Elektromotors und der zugeordneten
Steuerungselektronik. Die hieraus resultierenden Probleme werden
verschärft durch
die erhebliche Nähe
des Stellers zu heißen
Teilen der Brennkraftmaschine, insbesondere dem Lader. Besonders
bei einer Ausführung
als Abgasturbolader ist aufgrund der Nutzung der heißen Motorabgase
mit einer erheblichen thermischen Belastung des Stellers zu rechnen.
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Um
dem entgegenzuwirken, ist in der Regel eine Kühlung des Stellers vorgesehen.
Hierzu sind zwei Varianten bekannt. Zum einen kann der Steller mit
Kühlrippen
versehen sein, die von der im Motorraum des Kraftfahrzeuges befindlichen
Luft umspült werden.
Da jedoch die Luft im Motorraum vergleichsweise warm ist und nur
schwach zirkuliert, müssen derartige
Kühlrippen
eine große
Fläche
aufweisen, so dass sie erheblichen Bauraum beanspruchen. Bei einer
anderen Ausführungsform
ist der Steller flüssigkeitsgekühlt. Dies
ist im Hinblick auf den benötigten Bauraum
zwar vorteilhaft; dieser Vorteil muss jedoch mit einer komplizierten
Flüssigkeitsleitung
und -umwälzung
erkauft werden, deren Realisierung mit erheblichen Kosten und Risiken
verbunden ist.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Brennkraftmaschine derart
weiterzubilden, dass eine zuverlässige
und kostengünstige
und im Hinblick auf den benötigten Bauraum
vorteilhafte Kühlung
des Stellers realisiert wird.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst,
dass der Elektromotor zusammen mit einer Steuerungselektronik in
einem Stellergehäuse angeordnet
ist und das Stellergehäuse
mit der Ansaugleitung derart verbunden ist, dass zur Kühlung des
Elektromotors und/oder der Steuerungselektronik Ansaugluft als Kühlluft durch
das Stellergehäuse und
zurück
in die Ansaugleitung führbar
ist.
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Kerngedanke
der vorliegenden Erfindung ist es, die thermisch besonders belasteten
Bauteile, nämlich
den Elektromotor des Stellers und/oder dessen Steuerungselektronik
mit einem gezielt geführten Luftstrom
zu kühlen.
Die gezielte Führung
der Kühlluft,
erlaubt es, die Kühlflächen der
zu kühlenden Bauteile
wesentlich zu reduzieren. Dabei ist die Quelle der Kühlluft von
besonderer erfinderischer Bedeutung. So wird der ohnehin bestehende
Strom der Ansaugluft vorteilhaft genutzt, um eine gezielte Zwangskühlung des
Stellers und seiner Steuerungselektronik zu bewirken. Die spezielle
Verwendung der Ansaugluft als Kühlluft
muss dabei den Fachmann überraschen,
da üblicherweise
bei Brennkraftmaschinen mit Aufladung die Ansaugluft selbst Gegenstand
einer Kühlung
ist. Durch die Vorverdichtung kommt es nämlich zu einer erheblichen
Erwärmung
der Ansaugluft, die durch eine spezielle Kühlung kompensiert werden muss,
um eine optimale Verbrennung des Kraftstoff-/Luftgemisches in der
Brennkammer zu ermöglichen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird jedoch gerade diese zu kühlende bzw.
gekühlte
Ansaugluft selbst zur Kühlung
des Stellers verwendet. Günstigerweise
wird die noch nicht vorverdichtete Ansaugluft zur Kühlung des
Stellers verwendet. Zwar ist auch eine Verwendung der bereits vorverdichteten Luft
grundsätzlich
möglich;
dies impliziert jedoch die Notwendigkeit einer drucksicheren Führung der Kühlluft und
einer druckdichten Ausführung
des Stellergehäuses,
was mit erheblichem Aufwand verbunden wäre. Je nachdem, ob die Kühlung der
Ansaugluft vor oder hinter dem Vorverdichter erfolgt, kann daher
zur Kühlung
des Stellers zu kühlende
(Ansaufluftkühlung
nach Vorverdichtung) oder gekühlte
(Ansaugluftkühlung
vor Vorverdichtung) Ansaugluft zur Kühlung des Stellers verwendet
werden.
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Bei
einer Variante der vorliegenden Erfindung wird eine andere Quelle
der Stellerkühlluft
genutzt. Bei Kraftfahrzeugen mit Klimaverdampfer kann Luft aus dem
Bereich des Klimaverdampfers als Kühlluft durch das Stellergehäuse geführt werden. Hierzu
ist das Stellergehäuse
mit dem Klimaverdampfer oder dessen Zuleitung verbunden.
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Unabhängig von
der konkreten Quelle der Kühlluft,
ist bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Kühlluft vor
dem Eintritt in das Stellergehäuse
eine Filtereinheit durchläuft.
Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die in der angesaugten Luft, die in der Regel
aus dem Außenraum des
Kraftfahrzeuges stammt, enthaltenen Stäube ausgefiltert werden und
den Elektromotor bzw. dessen Steuerungselektronik nicht verschmutzen
und deren Betrieb beeinträchtigen
können.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind ein Schaltelement
und eine Schaltelementsteuereinrichtung zur Steuerung des durch
das Stellergehäuse
geführten
Luftvolumens vorgesehen. Das Schaltelement kann beispielsweise als
eine Klappe in der Kühlluftzuleitung
zum Stellergehäuse ausgebildet
sein. Günstigerweise
erfolgt dabei die Steuerung des Luftvolumens betriebsparameterabhängig, insbesondere
temperaturabhängig.
Auf diese Weise können
der Steller und seine Steuerungselektronik stets in ihrem optimalen
Temperaturbereich arbeiten. Die entsprechende Steuerung kann in
einem separaten Steuergerät
erfolgen oder in ein bestehendes Steuergerät integriert sein, wobei günstigerweise wenigstens
ein Temperatursensor in dem Stellergehäuse vorgesehen ist, um die
dort herrschende Temperatur als Parameter der Steuerung zuzuleiten.
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Günstigerweise
weist wenigstens eine Innenwandung des Stellergehäuses Kühlluftführungselemente
auf. Mit solchen Führungselementen,
die einstückig
mit einer Gehäuseschale
des Stellergehäuses
verbunden sein können
oder alternativ lösbar mit
einer Gehäuseschaleninnenwandung
verbunden sein können,
kann der Kühlluftstrom oder
zumindest ein überwiegender
Anteil der Kühlluft
thermisch besonders belasteten Bereichen des Elektromotors und/oder
der Steuerungselektronik zugeführt
werden.
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Als
besonders günstig
hat sich ein Stellergehäuse
aus thermisch isolierendem Material bewährt, da hierdurch zusätzlich zu
der Zwangskühlung
eine Abschirmung gegen die von den benachbarten Brennmaschinenelementen
abgegebene Wärme realisiert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung erlaubt in sämtlichen ihrer Ausführungsformen
eine zuverlässige
und kostengünstige
sowie bauraumoptimierte Kühlung des
Stellers. Gegenüber
herkömmlichen
Luftkühlungen
ist der Bauraumvorteil der Erfindung offensichtlich; gegenüber bekannten
Flüssigkeitskühlungen
ist hingegen der Kostenvorteil besonders stark ausgeprägt, da statt
teuerer Rohrleitungen, insbesondere Stahlrohrleitungen, kostengünstige Gewebeschläuche zur
Führung
der Kühlluft
verwendet werden können.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen
Beschreibung sowie den Zeichnungen. Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Stellerkühlung einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
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2:
eine schematische Draufsicht auf eine Gehäuseschale eines Stellergehäuses.
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3:
eine schematische Schnittdarstellung durch eine Gehäuseschale
eines Stellergehäuses entsprechend
der Schnittlinie III-III in 2.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Stellerkühlung einer
erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.
Die Brennkraftmaschine selbst sowie deren Auflader sind in 1 nicht
dargestellt. Dargestellt in 1 ist hingegen
ein Stellergehäuse 10,
in dem der Elektromotor des Stellers sowie dessen Steuerungselektronik
untergebracht sind. Weiter ist in 1 eine Ansaugleitung 12 zur
Zuführung
von Ansaugluft zum Motor der Brennkraftmaschine dargestellt. Der
Richtungspfeil 121 deutet die Strömungsrichtung der Ansaugluft
an. Je nach Ausführungsform
kann der in 1 gezeigt Ausschnitt vor oder
hinter der Ladevorrichtung der Brennkraftmaschine liegen. Vorteilhafterweise
ist er jedoch vor dem Lader angeordnet, da die Ansaugluft an dieser
Stelle noch nicht vorverdichtet ist und eine drucksichere Führung des
als Kühlluft
verwendeten Anteils nicht erforderlich ist.
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Abzweigend
von der Ansaugleitung 12 ist eine Verbindungsleitung 14 vorgesehen,
die vorzugsweise als ein Gewebeschlauch ausgeführt ist. Die Verbindungsleitung 14 verbindet
die Ansaugleitung 12 mit einer Eingangsöffnung 102 in dem
Stellergehäuse 10.
Bei der in 1 dargestellten, besonders vorteilhaften
Ausführungsform
ist vor der Eingangsöffnung 102 ein
Filter 142 in die Verbindungsleitung 14 eingesetzt.
Durch diesen Filter kann die durch die Verbindungsleitung 14 strömende Ansaugluft,
deren Stromrichtung in 1 als Richtungspfeil 141 dargestellt
ist, von Stäuben
und gegebenenfalls Wasser- oder Öltröpfchen gereinigt
werden, um eine Verschmutzung des Stellers im Stellergehäuse 10 zu vermeiden.
Bei einer anderen Ausführungsform
der Erfindung bei der die Ansaugleitung 12 eine Reinluftleitung
ist, kann auf den Filter 142 verzichtet werden. An einer
anderen Stelle des Stellergehäuses 10 (in 1 diametral
gegenüber
der Eingangsöffnung 102)
ist eine Ausgangsöffnung 104 im
Stellergehäuse 10 vorgesehen.
An die Ausgangsöffnung 104 schließt sich
eine weitere Verbindungsleitung 16 an, die das Stellergehäuse 10 ebenfalls
mit der Ansaugleitung 12 verbindet. Über diese zweite Verbindungsleitung 16 wird
Luft aus dem Stellergehäuse 10 zurück in die
Ansaugleitung 12 geführt
(symbolisiert durch den Richtungspfeil 161). Durch diese
Konstellation wird erreicht, dass, ohne das in den Brennkammern
der Brennkraftmaschine zur Verfügung
stehende Ansaugluftvolumen zu reduzieren, ein Teil der Ansaugluft
gezielt als Kühlluft über den
Steller geführt wird.
Dies bedeutet eine effiziente Kühlung
des Stellers und seiner Steuerungselektronik, ohne dass eine bauraumintensive
Kühlrippenkonstruktion
oder eine teure und kompliziert zu realisierende Wasserkühlung erforderlich
wäre.
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2 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine Gehäuseschale 101 einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
eines Stellergehäuses 10,
welches aus zwei miteinander verclipsbaren Kunststoffschalen bestehen
kann. Selbstverständlich
sind auch andere Verbindungsarten und andere Anzahlen von Gehäuseschalen
realisierbar. Für
die Erfindung wesentlich ist nur, dass ein Gehäuse 10 erzeugt wird, welches
hinreichend luftdicht ist, um den Kühl-/Ansaugluftstrom durch das
Gehäuse
weitgehend verlustarm oder -frei zu halten. Eine vollständige Gasdichtheit
ist hingegen nicht erforderlich. Wie in 2 erkennbar,
sind bei der dargestellten Ausführungsform
an der Innenwandung der Gehäuseschale 101 Strömungsleitrippen 103 vorgesehen.
Bei der gezeigten Ausführungsform
erzwingen diese einen im Wesentlichen über den gesamten Gehäuseinnenraum
mäandrierenden
Luftstrom.
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Wie
aus 3, die eine Schnittsdarstellung durch die Gehäuseschale 101 entlang
der Schnittlinie III-III von 2 zeigt,
ersichtlich, sind die Strömungsleitrippen 103 mit
der Innenwandung der Gehäuseschale 101 verbunden
und erstrecken sich nur geringfügig
in das Gehäuseinnere
hinein. Die Erstreckung in das Gehäuseinnere hat so dimensioniert
zu sein, dass zwar eine Strömungsleitwirkung
zustande kommt, jedoch im Gehäuseinneren
ausreichend Raum zum Einsetzen des Stellers und seiner Steuerungselektronik
verbleibt, ohne dass das Gehäuse 10 insgesamt
einen zu großen
Bauraum beanspruchen würde.
Die Verbindung der Strömungsleitrippen 103 mit
der Gehäuseschale 101 kann
vorzugsweise einstückig,
beispielsweise durch entsprechende Ausformung im Spritzgussverfahren
erfolgen. Andererseits ist es auch möglich, die Verbindung lösbar zu
gestalten, beispielsweise durch Clipsen, so dass dieselbe Gehäuseschale
zur Aufnahme unterschiedlicher Leitrippengeometrien geeignet ist.
Auf diese Weise kann unter Verwendung jeweils desselben Gehäuseschalentyps
eine spezifische Anpassung an Kühlungsbedürfnisse
unterschiedlicher Steller realisiert werden.
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4 und 5 zeigen
Prinzipskizzen zweier unterschiedlicher Ausführungsformen der Kühlluftführung. Bei
der Ausführungsform
gemäß 4 wird die
Kühlluft
direkt über
in dem Stellergehäuse 10 ausgeformte
Hohlräume
geleitet. Bei der alternativen Ausführungsform von 5 ist
für die
Kühlluftführung eine
Zusatzschale 101' vorgesehen,
die nachträglich
an dem Stellergehäuse 10 angebracht,
z.B. geschweißt,
gelötet,
geklebt oder geclipst werden kann.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung erläuterten und in den Figuren
illustrierten Ausführungsbeispiele
nur exemplarische Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann steht ein breites Spektrum
an Variations- und
Modifikationsmöglichkeiten
zur Verfügung.
Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, das die Leitung 12 eine
Ansaugleitung zur Zuführung
von Ansaugluft ist.
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Vielmehr
kann alternativ auch Luft aus dem Bereich des Klimaverdampfers eines
entsprechend ausgestatteten Kraftfahrzeuges zur Kühlung des Stellers
verwendet werden. Diese Variante, die auch nicht zwingend die Rückführung der
Kühlluft
in die Leitung 12 umfassen muss, hat den Vorteil, dass
ggf. bereits vorgekühlte
Luft verwendet werden kann, was das erforderliche Kühlluftvolumen
entsprechend verringert.