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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur bedarfsgerechten Zufuhr verdichteter Luft zu einer Brennkraftmaschine mittels eines ventilgesteuerten Verdichters, insbesondere Hubkolbenverdichters, der mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil aufweist, wobei die Menge der zugeführten Luft durch variabel wählbare Steuerzeiten zum Öffnen und/oder Schließen des Einlassventils und/oder des Auslassventils bestimmt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist bekannt. Der ventilgesteuerte Verdichter ist zum Beispiel ein Hubkolbenverdichter, der an seinem Einlass Frischluft aus der Umgebung ansaugt, diese verdichtet und anschließend über seinen Auslass einem Lufteinlass der Brennkraftmaschine zuführt. Der Verdichter weist Steuerzeiten seiner Ventile auf, die eine Zufuhr verdichteter Luft für einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine gewährleisten. Zur bedarfsgerechten Reduktion der Menge der zugeführten Luft – zum Beispiel in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine – weist der ventilgesteuerte Verdichter eine Bypassleitung zwischen dem Einlass und dem Auslass des Verdichters mit einer in der Bypassleitung angeordneten Armatur (zum Beispiel einer Klappe, einem Schieber oder einem Ventil) auf. Mittels der Armatur kann ein Durchfluss eingestellt werden, der vom Einlass zum Auslass einem Verdichtungsraum des Verdichters umgeht. Weiterhin ist vor dem Verdichter eine weitere Armatur angeordnet, mit der der Zufluss der Luft aus der Umgebung reguliert werden kann. Ein Einstellen der Menge der zugeführten Luft durch die Drosselung der Luftzufuhr bei kontinuierlich betriebenem Verdichter ist jedoch sehr ineffektiv.
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Aus der
DE 10 2004 005 518 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Steuern des Betriebs einer aufgeladenen Kolbenbrennkraftmaschine bekannt, bei welchem zumindest in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine einem Brennraum durch ein geöffnetes Einlassventil hindurch verdichtete Frischladung zugeführt wird. Das Verdichten der Ladung erfolgt dabei außerhalb des Brennraums. Aus dem Stand der Technik sind weiterhin die
US 2007/0017204 A1 und
DE 697 25 873 T2 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren zur bedarfsgerechten Zufuhr verdichteter Luft zu einer Brennkraftmaschine bereitzustellen.
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Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein dem Verdichter nachgeschaltetes Ventil, insbesondere Schnüffelventil, im Teillastbetrieb einen Luftpfad zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine solange verschließt, bis der Druck im Verdichtungsraum des Verdichters höher oder gleich hoch ist wie der Druck am Lufteinlass der Brennkraftmaschine. Die Menge der zugeführten Luft wird durch variabel wählbare Steuerzeiten zum Öffnen und/oder Schließen des Einlassventils und/oder des Auslassventils bestimmt. Die bedarfsgerechte Zufuhr der verdichteten Luft erfolgt hierbei ausschließlich über den Verdichtungsraum. Der ventilgesteuerte Verdichter saugt an seinem Einlass Frischluft aus der Umgebung an, verdichtet diese und führt sie anschließend über seinen Auslass einem Lufteinlass der Brennkraftmaschine zu. Eine Bypassleitung oder eine Armatur zwischen Einlass und Auslass zur Drosselung der Luftzufuhr ist nicht notwendig. Der ventilgesteuerte Verdichter ist insbesondere ein Hubkolbenverdichter. Dieser zeichnet sich durch einen hohen Wirkungsgrad aufgrund geringer Leckage – bedingt durch die Verwendung von Kolbenringen – aus. Weiterhin kann die Luft in einem mit einer Kühlung versehenen Hubkolbenverdichter gekühlt werden. In einer besonders vorteilhaften, weil einfachen Ausführungsform der Erfindung, sind lediglich die Steuerzeiten des Einlassventils zur Bestimmung der Menge der zugeführten Luft wählbar. Die Steuerzeiten des Auslassventils sind in diesem Ausführungsbeispiel fest und so gewählt, dass sie – bei geeignet gewählten Steuerzeiten des Einlassventils – eine für eine Spitzenlast der Brennkraftmaschine hinreichende Menge verdichtete Luft liefern kann.
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Durch das Schalten des zusätzlichen, dem Verdichter nachgeschalteten Ventils können (bei festen Steuerzeiten des Auslassventils) besonders vorteilhafte Steuerzeiten eines vollvariablen Auslassventils simuliert werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einlassventil zur Reduktion der Menge der zugeführten Luft in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine früher geschlossen wird als bei einem Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine. Ausgehend von den festen Steuerzeiten des Auslassventils im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Menge der zugeführten Luft über die Steuerzeiten des Einlassventils bestimmt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Einlassventil im Teillastbetrieb zeitgleich oder in etwa zeitgleich mit einem Schließen des Auslassventils geöffnet wird. Dieses zeitgleiche Öffnen und Schließen findet bei einem Hubkolbenverdichter insbesondere in einem oberen Totpunkt eines Kolbens statt. Ist der Druck der Umgebung, aus der die Luft in den Verdichter angesaugt wird, größer als der Druck im Verdichtungsraum des Verdichters, so kann dieses Druckgefälle genutzt werden, um Arbeit am Kolben zu verrichten. Das einströmende Gas aus der Umgebung drückt auf den Kolben und trägt zur Vergrößerung des Hubvolumens bei. Weiterhin ist insbesondere vorgesehen, dass das Einlassventil im Teillastbetrieb zu Beginn einer Dekompressionsphase des Hubkolbenverdichters geschlossen wird. Vergrößert sich der Verdichtungsraum nach dem Öffnen des Einlassventils schneller als frische Luft durch den Einlass in den Verdichtungsraum einströmen kann, so kommt es zu einer Dekompressionsphase, bei dem sich das Hubvolumen unter Abnahme des Drucks im Verdichtungsraum vergrößert. Zu Beginn dieser Dekompressionsphase wird das Einlassventil geschlossen.
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Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass zusätzlich zur Bestimmung der Menge der zugeführten Luft durch die variabel wählbaren Steuerzeiten des Einlassventils auch die Steuerzeiten zum Öffnen und/oder Schließen des Auslassventils verändert werden. Die bedarfsgerechte Zufuhr verdichteter Luft mittels variabel wählbarer Steuerzeiten des Einlassventils und des Auslassventils erschließt weitere Potentiale im saugmotorischen Kennfeldbereich. Derart frei wählbare Steuerzeiten bei Einlass- und Auslassventil können zum Beispiel mittels einer als elektromagnetischen Ventiltrieb-System (EMVS) ausgebildete Vorrichtung realisiert werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einem ventilgesteuerten Verdichter, insbesondere Hubkolbenverdichter, der mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil aufweist, vorzugsweise zur Durchführung eines vorstehend genannten Verfahrens. Es ist vorgesehen, dass der Verdichter eine Vorrichtung zur variablen Ansteuerung des Einlassventils und/oder des Auslassventils aufweist, und dass ein dem Verdichter nachgeschaltetes Ventil, insbesondere Schnüffelventil, im Teillastbetrieb einen Luftpfad zwischen Verdichter und Brennkraftmaschine solange verschließt, bis der Druck im Verdichtungsraum des Verdichters höher ist als der Druck am Lufteinlass des Verbrennungsmotors. Die Vorrichtung ist insbesondere ein Ventiltrieb zur variablen Ansteuerung des Einlassventils. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung ein vollvariabler Ventiltrieb, insbesondere ein vollvariables elektromagnetischen Ventiltrieb-System (EMVS). Alternativ zur Verwendung des vollvariablen elektromagnetischen Ventiltriebsystems kann ein variables mechanisches Ventiltriebsystem verwendet werden, bei dem in einem Luftpfad zwischen dem Verdichter und der Brennkraftmaschine ein weiteres, vorzugsweise als Schnüffelventil ausgebildetes Ventil nachgeschaltet ist. Dieses nachgeschaltete Ventil verschließt den Luftpfad in einem Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine, solange der Druck im Verdichtungsraum des Verdichters niedriger ist als der Druck am Lufteinlass der Brennkraftmaschine.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand zugehöriger Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 einen Hubkolbenverdichter mit einem Einlass- und einem Auslassventil,
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2 ein Druck-Volumen-Diagramm eines Hubkolbenverdichters mit vollvariablem Einlassventil für einen Teillast- und einen Volllastbereich der Brennkraftmaschine und
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3 ein Druck-Volumen-Diagramm eines Hubkolbenverdichters mit vollvariablem Einlassventiltrieb und vollvariablem Einlass- und Auslassventiltrieb für den Teillastbereich der Brennkraftmaschine.
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Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines als Hubkolbenverdichter 1 ausgebildeten ventilgesteuerten Verdichter 2. Der Hubkolbenverdichter weist einen Zylinder 3 mit einer Längsachse 4 auf. Im Zylinder 3 ist ein Kolben 5 entlang der Längsachse 4 hin- und herverschiebbar gelagert (Doppelpfeil 6). Eine Mantelfläche 7 des Kolbens 5 ist mittels eines in einer Nut des Kolbens 5 einliegenden Kolbendichtring 8 gegenüber einer Zylinderlauffläche 9 (Innenfläche des Zylinders 3) abgedichtet. An einer Stirnseite 10 befindet sich ein Einlass 11 des Hubkolbenverdichters 1 mit einem Einlassanschluss 12 und einem Einlassventil 13. Benachbart zum Einlass 11 befindet sich an der Stirnseite 10 ein Auslass 14 mit einem Auslassanschluss 15 und einem Auslassventil 16. Das Einlassventil 13 und das Auslassventil 16 in dem Ausführungsbeispiel der 1 werden von einer Vorrichtung 17 zur variablen Ansteuerung beider Ventile 13, 16 angesteuert. Die Vorrichtung 17 ist in einem nicht gezeigten Beispiel ein vollvariabler elektromagnetischer Ventiltrieb. Die Ventile 13, 16 trennen in ihrem dargestellten geschlossenen Zustand die jeweils zugeordneten Anschlüsse 12, 15 von einem Verdichtungsraum 18 des Hubkolbenverdichters 1. Dieser Verdichtungsraum wird in der Innenseite der Stirnseite 10, der Zylinderlauffläche 9 und einer Stirnfläche des Kolbens 5 begrenzt. Der Einlass 11 des Hubkolbenverdichters 1 ist strömungstechnisch mit der Umgebungsluft verbunden, sodass der Hubkolbenverdichter 1 über den Einlass 11 Frischluft ansaugen kann. Wahlweise ist zwischen der Umgebung und dem Einlass 11 eine Armatur (Klappe, Schieber, Ventil) zur Drosselung des Zuluftstroms angeordnet. Der Auslass 14 ist strömungstechnisch wahlweise über einen mit einem als Schnüffelventil 19 ausgebildeten Ventil 20 versehenen Luftpfad 21 mit einem nicht gezeigten Lufteinlass einer ebenfalls nicht gezeigten Brennkraftmaschine verbunden. Komprimierte Luft aus dem Verdichter 2 wird der Brennkraftmaschine über eine den Luftpfad 21 bildende Verbindungsleitung zwischen dem Auslassanschluss 14 und dem Lufteinlass der Brennkraftmaschine, zugeführt.
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Zur bedarfsgerechten Zufuhr von verdichteter Luft zur Brennkraftmaschine ergeben sich in einem ersten Ausführungsbeispiel die in der 2 gezeigten pV-Diagramme (pV: Druck-Volumen) für einen Teillastbetriebspunkt der Brennkraftmaschine (durchgezogene Linie) mit festen Steuerzeiten und für einen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (gestrichelte Linie) mit variablen Einlassventilsteuerzeiten. Befindet sich der Kolben 5 im Betrieb der Brennkraftmaschine in dem in der 1 gezeigten oberen Totpunkt, so schließt das Auslassventil 16 bei geschlossenem Einlassventil 13. Anschließend wird der Kolben unter Zunahme des Verdichtungsraum 18 entlang der Achse 4 verschoben, wodurch ein Unterdruck entsteht. Bei Erreichen eines vorgegebenen Hubvolumens öffnet das Einlassventil 13 und es wird Luft aus der Umgebung angesaugt, bis ein maximales Hubvolumen erreicht wird. Bei Erreichen des maximalen Hubvolumens schließt das Einlassventil 13 und der Kolben 5 wird wieder in Richtung der Stirnseite 10 des Zylinders 3 verschoben, wodurch die sich im Verdichtungsraum 18 befindliche Luft komprimiert wird. Ist der Druck im Verdichtungsraum 18 bei Volllast in etwa so groß wie der benötigte Ladedruck am Lufteinlass der Brennkraftmaschine (beziehungsweise am Auslass 14), so öffnet das Auslassventil 16 und der Kolben 5 drückt die Luft aus dem Verdichtungsraum 18 durch den Auslass 14 und führt der Brennkraftmaschine diese Luft zu. Eine derartige pV-Charakteristik beschreibt einen Verdichtungsprozess mit großem Massedurchsatz, wie er für den Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine benötigt wird. Im Teillastbetrieb oder im Leerlauf benötigt die Brennkraftmaschine weit weniger Luft. Zur bedarfsgerechten Zufuhr wird die zugeführte Luft im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine reduziert. Dazu werden in dem Ausführungsbeispiel der 2 lediglich die Steuerzeiten des Einlassventils 13 verändert. Diese sind im pV-Diagramm als Punkte ES, EO gekennzeichnet. Die Steuerzeiten (Punkte AS, AO) des Auslassventils 16 bleiben gegenüber dem Volllastbetrieb unverändert. (ES: Einlassventil schließt; EO: Einlassventil öffnet; AS: Auslassventil schließt; AO: Auslassventil öffnet.)
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Es ergibt sich folgende pV-Charakteristik des Hubkolbenverdichters 1 für einen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (gestrichelte Linie): In dem in 1 gezeigten oberen Totpunkt wird zusätzlich zum Schließen des Auslassventils 16 das Einlassventil 13 geöffnet. Durch einen höheren Druck p1 der Umgebungsluft gegenüber dem im Verdichtungsraum 18 (beziehungsweise dem Lufteinlass der Brennkraftmaschine) vorherrschenden Druck p2, verrichtet die durch den Einlass 11 einströmende Luft Arbeit am Kolben 5 und drückt diesen von der Stirnseite 10 des Zylinders 3 weg, bis der Druck im Verdichtungsraum 18 dem Druck der Umgebung entspricht. Bei weiterer Erhöhung des Hubvolumens des Verdichtungsraums 18 setzt eine Dekompressionsphase ein, zu deren Beginn das Einlassventil 13 geschlossen wird (Steuerzeit ES). Die Dekompressionsphase setzt sich fort, bis ein maximales Hubvolumen Vmax erreicht ist. Anschließend bewegt sich der Kolben 5 wieder in Richtung der Stirnseite 10 und die Luft im Verdichtungsraum 18 wird wieder komprimiert, bis das Druckniveau p2 erreicht ist. Auch im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine wird an dieser Stelle das Auslassventil 16 geöffnet. Anschließend wird das Gas aus dem Verdichtungsraum 18 durch den Auslass 14 hinausgedrückt, bis der Totpunkt (bei AS) erreicht ist.
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Durch die veränderten Steuerzeiten des Einlassventils ergibt sich ein deutlich geringerer Volumenumsatz und ein mit (+) gekennzeichneter Bereich, in dem die einströmende Luft Arbeit am Kolben 5 verrichtet und einem zweiten Bereich (–), in dem der Kolben 5 Volumenarbeit verrichten muss. Durch diese pV-Charakteristik muss der Verdichter 2 deutlich weniger Arbeit verrichten.
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Die 3 entspricht im Wesentlichen der 2, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Die 3 zeigt einen Vergleich der charakteristischen pV-Diagramme von einem Hubkolbenverdichter 1 mit einer Vorrichtung 17 zur variablen Ansteuerung des Einlassventils 13 (durchgezogene Linie) und einem Hubkolbenverdichter 1 mit einer Vorrichtung 17 zur vollvariablen Ansteuerung des Einlassventils und des Auslassventils (gestrichelte Linie). Gegenüber der durchgezogenen Linie zeigt die gestrichelte Linie lediglich ein späteres Öffnen des Auslassventils 16, sodass der Bereich, in dem der Kolben 5 Arbeit verrichten muss (–) nahezu gleich Null ist.
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Eine derartige pV-Charakteristik lässt sich auch mit dem in 1 gezeigten Verdichter 2 realisieren, dessen Einlassventil 13 vollvariabel ansteuerbar ist und dessen Auslassventil 16 feste, vom Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine bestimmte Steuerzeiten aufweist. Zur Nachbildung einer Veränderung der Steuerzeit zum Öffnen des Auslassventils 16 ist dem Verdichter 2 das als Schnüffelventil 19 ausgebildete zusätzliche Ventil 20 im Luftpfad 21 nachgeschaltet. Das Schnüffelventil 19 simuliert ein Verschieben der Öffnungszeit des Auslassventils 16, indem es den Luftpfad 21 solange verschließt, bis der Druck im Verdichtungsraum 18 des Verdichters 2 höher ist als der Druck am Lufteinlass des Verbrennungsmotors. Öffnet das Auslassventil 16 bei der üblichen Steuerzeit, so stellt sich zwischen dem Schnüffelventil 19 und dem Auslass 14 ein Druck p3 ein, der kleiner ist als der Druck p4 am Lufteinlass der Brennkraftmaschine. Erst wenn dieser Druck p3 das Druckniveau des Drucks p4 am Lufteinlass der Brennkraftmaschine erreicht, also wenn der Druck auf beiden Seiten des Schnüffelventils 19 gleich hoch ist, öffnet das Schnüffelventil 19, sodass sich eine pV-Charakteristik ähnlich der gestrichelt eingezeichnete pV-Charakteristik eines Hubkolbenverdichters 1 mit einer Vorrichtung 17 zur vollvariablen Ansteuerung des Einlass- und Auslassventils 13, 16 ergibt.
