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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters,
der eine ihm ausgangsseitig zugeordnete Brennkraftmaschine mit auf
einen Ladedruck verdichteter Luft versorgt, bei dem der Ladedruck verringerbar
ist, indem die verdichtete Luft zumindest teilweise über
ein Druckablassventil abgelassen wird.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Verdichter, insbesondere für
eine Brennkraftmaschine.
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Ein
Betriebsverfahren der eingangs genannten Art und ein entsprechender
Verdichter sind bereits aus der
DE 10 2005 010 792 A1 bekannt. Dort wird
ein als sog. Schubumluftventil ausgebildetes Druckablassventil verwendet,
um den von dem Verdichter erzeugten Ladedruck rasch abzubauen, indem
die verdichtete Luft zu einer Niederdruckseite am Eingang des Verdichters
abgeleitet wird. Hierdurch wird eine Kreisströmung u. a.
durch einen das Schubumluftventil enthaltenden Bypass erzeugt, der die
Hochdruckseite des Verdichters mit dessen Niederdruckseite verbindet.
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Das
beschriebene herkömmliche Verfahren ermöglicht
unter Verwendung des Schubumluftventils zwar den schnellen Abbau
des Ladedrucks. Problematisch bei dem Druckausgleich über
das Schubumluftventil ist es jedoch, dass bei einem schnellen Lastwechsel
der Brennkraftmaschine beispielswiese aus der Vollast, bei der eine
Drosselvorrichtung der Brennkraftmaschine vollständig geöffnet
ist, in den Schubbetrieb, bei dem die Drosselvorrichtung weitgehend
geschlossen ist, und anschließend erneutem Vollastbetrieb,
der Ladedruck ausgangsseitig des Verdichters, dass heißt
stromauf der Drosselvorrichtung, erneut erzeugt werden muss. Hieraus
ergibt sich ein verzögertes Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine
hinsichtlich des abgegebenen Drehmoments im Bezug auf einen Drehmomentwunsch des
Fahrers.
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Weitere
herkömmliche Lösungsansätze sehen daher
vor, alternativ oder zusätzlich zu dem Schubumluftventil
in dem Bypass eine zweite Drosselvorrichtung stromauf des Verdichters
anzuordnen. Diese Maßnahmen können zumindest in
manchen Betriebszuständen das unerwünschte Überführen des
Verdichters in einen Pumpzustand bzw. auch das vollständige
Abfallen des Ladedrucks bei schnellen Lastwechseln verhindern, erfordern
jedoch einen verhältnismäßig großen
konstruktiven Aufwand in Form des weiteren Stellglieds bzw. eine
entsprechend komplexe Ansteuerung.
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Offenbarung der Erfindung
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Demgemäß ist
es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren und
einen Verdichter der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern,
dass das Ansprechverhalten des Verdichters und damit auch der versorgten
Brennkraftmaschine insbesondere bei Lastwechseln verbessert wird,
ohne gleichzeitig eine erhöhte Komplexität bei dem
Aufbau bzw. der Ansteuerung des Verdichters zu erfordern.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die über das Druckablassventil abgelassene Luft dazu
verwendet wird, ein Verdichterrad des Verdichters anzutreiben. Hierdurch
ist vorteilhaft gewährleistet, dass die Energie der abgelassenen
vedichteten Luft nicht im wesentlichen ungenutzt bleibt, wie dies
bei Bypasssystemen mit Schubumluftventil der Fall ist, bei denen
die abgelassene Luft ungerichtet in einen Ansaugtrakt stromauf des
Verdichters geleitet wird. Vielmehr wird die in der abgelassenen
verdichteten Luft enthaltene Energie erfindungsgemäß vorteilhaft
dazu verwendet, die Drehzahl des Verdichterrads bzw. des damit ggf.
verbundenen Laufzeugs aufrecht zu halten oder wenigstens ein übermäßiges
Absinken der Drehzahl zu verhindern. Ein besonderer Vorteil des
erfindungsgemäßen Prinzips besteht darin, dass
nach einem positiven Lastwechsel ein sehr schneller Aufbau des Ladedrucks
möglich ist, weil das Verdichterrad zu keiner Zeit eine Drehzahl
annimmt, die wesentlich unter seiner Nenndrehzahl liegt.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich auch
durch einen besonders geringen konstruktiven Aufwand und durch eine
entsprechend einfache Ansteuerung aus, weil die durch das Druckablassventil abgelassene
Luft einer Erfindungsvariante zufolge gegenüber herkömmlichen
Systemen nur in besonderer Form, dass heißt gerichtet,
auf das Verdichterrad des Verdichters geleitet werden muss, um das
erfindunsgemäße Prinzip zu realisieren. Insbesondere sind
keine weiteren Stellglieder erforderlich.
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Das
schnelle Ansprechen des Verdichters bzw. der Brennkraftmaschine
bei einem positiven Lastwechsel kann alleine dadurch sichergestellt
werden, dass das Druckablassventil bei Bedarf schnell geschlossen
wird. Ein sich dabei einstellender Aufbau des Ladedrucks erfolgt
besonders schnell aufgrund der erfindungsgemäßen
Aufrechterhaltung einer hohen Drehzahl des Verdichterrads.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens kann die abgelassene Luft beispielsweise direkt
auf das Verdichterrad des Verdichters geleitet werden und dieses
antreiben. Erfindungsgemäß ist es ferner möglich,
dass die abgelassene Luft tangential auf gegebenenfalls vorgesehene
Leitschaufeln des Verdichters geleitet wird, um das Verdichterrad
erfindungsgemäß anzutreiben.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens, bei dem dem Verdichter eine mit dem Verdichterrad
drehverbundene Turbine zum Antrieb des Verdichterrads zugeordnet
ist, kann vorteilhaft die abgelassene Luft auch direkt auf die Turbine
geleitet werden. Diese Erfindungsvariante findet beispielsweise Einsatz
bei Verdichtern, die in Abgasturboladern integriert und zusammen
mit der Turbine auf einer gemeinsamen Welle montiert sind.
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Eine
weitere Steigerung des Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens ist vorteilhaft dadurch gegeben, dass der Verdichter
eingangsseitig gedrosselt wird, während der Ladedruck erfindungsgemäß über
das Druckablassventil abgelassen wird. Die eingangsseitige Drosselung
des Verdichters vermindert den Luftmassenstrom, den der Verdichter
verdichten muss, so dass die hierbei eingesparte Arbeit vorteilhaft
ebenfalls dazu verwendet werden kann, die Drehzahl des Verdichterrads
zu erhöhen. Das heißt, durch eine eingangsseitige
Drosselung wird der Verdichter bzw. ein den Verdichter enthaltender
Abgasturbolader in einem Betriebspunkt mit einem höheren
Wirkungsgrad betrieben, wodurch vorteilhaft auch ein nachfolgender
Aufbau des Ladedrucks nach dem Ende einer Lastunterbrechung schneller
erreicht werden kann.
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Als
eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist ein Verdichter gemäß Patentanspruch 6 angegeben.
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Sofern
der Verdichter Bestandteil eines Abgasturboladers ist, kann vorteilhaft
auch eine separate zweite Turbine drehverbunden mit dem restlichen Laufzeug
des Abgasturboladers vorgesehen sein, die speziell zum Antrieb durch
die erfindungsgemäß über das Druckablassventil
abgelassene Luft dient.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
erfindungsgemäße Verdichter eignet sich aufgrund
des schnellen Ansprechverhaltens besonders gut zur Versorgung einer
Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, kann jedoch auch in Verbindung
mit anderen Verbrauchern von verdichteter Luft eingesetzt werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei
können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung
erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder
in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Verdichters zusammen mit einer zu versorgenden Brennkraftmaschine,
und
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2 ein
vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine 1,
die beispielsweise zum Antrieb eines nicht abgebildeten Kraftfahrzeugs
dient. Die Brennkraftmaschine 1 kann z. B. als Ottomotor
oder als Dieselmotor ausgebildet sein und umfasst einen nicht näher
bezeichneten Motorblock mit einem oder mehreren Zylindern, denen über
das Ansaugrohr 1a Luft zugeführt wird. In dem
Ansaugrohr 1a ist eine Drosselklappe 1b angeordnet,
die einen den Zylindern zugeführten Luftmassenstrom in an
sich bekannter Weise steuert.
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Verbrennungsabgase
der Brennkraftmaschine 1 werden durch das ebenfalls in 1 abgebildete
Abgasrohr 1c abgeleitet. Die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte
Luft ist in 1 mit dem Pfeil 110 symbolisiert,
und die von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Abgase sind
in 1 mit dem Pfeil 120 symbolisiert.
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Die
Brennkraftmaschine 1 weist erfindungsgemäß einen
Verdichter 5 auf, der ihr eingangsseitig zugeordnet ist
und sie mit auf einen Ladedruck verdichteter Luft 110 versorgt.
Der Verdichter 5 verfügt hierzu über
ein nicht abgebildetes Verdichterrad, das zur Verdichtung der eingangsseitig
zugeführten Luft 100 dient.
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Der
Verdichter 5 kann beispielsweise durch einen eigenen Antrieb
(nicht gezeigt), der insbesondere auch elektrisch ausgeführt
sein kann, angetrieben werden. Besonders bevorzugt ist der Verdichter 5 jedoch
Bestandteil eines Abgasturboladers und wird durch eine Turbine 55 angetrieben,
die mit dem Verdichterrad des Verdichters 5 drehverbunden
ist, beispielsweise durch eine gemeinsame Welle 55a.
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Die
Turbine 55 des Abgasturboladers wird ihrerseits in an sich
bekannter Weise durch die von der Brennkraftmaschine 1 erzeugten
Abgase 120 angetrieben. Danach verfassen die Abgase eine
die Turbine 55 beinhaltende Turbinenkammer (nicht gezeigt), vergleiche
den Pfeil 130.
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Um
den Ladedruck schnell abbauen zu können, den die von dem
Verdichter 5 verdichtete Luft 110 in dem Ansaugrohr 1a aufweist,
ist das Druckablassventil 5a vorgesehen. Ein schneller
Abbau des Ladedrucks ist beispielsweise dann erforderlich, wenn
ein negativer Lastsprung bei der Brennkraftmaschine 1 auftritt
und die Drosselklappe 1b geschlossen wird, um das von der
Brennkraftmaschine 1 abgegebene Drehmoment zu verringern.
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Erfindungsgemäß wird
die über das Druckablassventil 5a abgelassene
Luft 110a, 110b dazu verwendet, das Verdichterrad
des Verdichters 5 anzutreiben.
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Bei
einer ersten sehr vorteilhaften Erfindungsvariante kann beispielsweise
vorgesehen sein, dass die abgelassene Luft 110a direkt
auf das Verdichterrad des Verdichters 5 geleitet wird,
so dass das Verdichterrad vergleichbar zu einer Kaltluftturbine
betrieben wird. Der Luftstrahl der abgelassenen Luft 110a überträgt
dabei aufgrund des Druckunterschieds zwischen dem Ladedruck in dem
Ansaugrohr 1a und einem eingangsseitig des Verdichterrads herrschenden
Druck einen Impuls auf das Verdichterrad, der das Verdichterrad
weiter beschleunigt oder zumindest ein Abfallen der Drehzahl des
Verdichterrads verhindert. Auf diese Weise fällt die Drehzahl des
Verdichterrads auch bei einem Abbau des Ladedrucks in dem Ansaugrohr 1a nicht
wesentlich unter eine Nenndrehzahl, so dass ein erneuter Aufbau
des Ladedrucks in dem Ansaugrohr 1a erfindungsgemäß vorteilhaft
sehr schnell möglich ist. Dadurch wird ein Ansprechverhalten
der durch den Verdichter 5 mit verdichteter Luft 110 versorgten
Brennkraftmaschine 1 insbesondere bei dynamsichen Betriebssituationen wie
schnell aufeinanderfolgenden Lastwechseln verbessert.
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Einer
weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens zufolge kann die abgelassene Luft 110a auch
tangential auf Leitschaufeln des Verdichters 5 geleitet
werden.
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Eine
alternative Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
sieht vor, dass die abgelassene Luft 110b nicht direkt
auf das Verdichterrad des Verdichters 5 gleitet wird, sondern
vielmehr auf die Turbine 55, die mit dem Verdichterrad
drehverbunden ist, wie dies beispielsweise bei herkömmlichen
Abgasturboladern der Fall ist.
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Analog
zu der ersten vorstehend beschriebenen Erfindungsvariante, die auch
bei separat, dass heisst ohne zugeorndete Turbine 55, vorgesehenen Verdichtern 5 anwendbar
ist, wird auch bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens die abgelassene verdichtete Luft 110b vorteilhaft
dazu verwendet, ein Absinken der Drehzahl des Verdichterrads zu
verhindern. Die abgelassene Luft 110b wird vorzugsweise
direkt auf die Leitschaufeln der Turbine 55 geleitet, die
ansonsten allein mit dem Abgas 120 beaufschlagt werden.
Durch die erfindungsgemäße Zuleitung der abgelassenen
Luft 110b steigt die Drehzahl der Turbine 55 und
des Verdichterrads des Verdichters 5 an bzw. es wird ein
weiteres Absinken insbesondere bei einem Lastwechsel, der mit dem
Abbau des Ladedrucks einhergeht, verhindert.
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Ein
durch das erfindungsgemäße Verfahren gegebenenfalls
erzeugter überproportionaler Anstieg des Gasdrucks eingangs
der Turbine 55 kann beispielsweise durch eine gezielte,
koordinierte Ansteuerung eines sog. waste gates (nicht gezeigt)
vermieden werden, das in bekannter Weise einen Druckabbau von dem
Abgasrohr 1c in ausgangsseitig der Turbine 55 angeordnete
Bereiche des Abgasstrangs ermöglicht. Dadurch ist sichergestellt,
dass bei der Verwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens auch die Turbine 55 stets in einem optimalen
Betriebspunkt betrieben werden kann.
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Insgesamt
ermöglicht das erfindungsgemäße Prinzip,
das Laufzeug eines Abgasturboladers bzw. ein Verdichterrad des Verdichters 5 bei
Lastwechseln bzw. Lastunterbrechungen mit gleichzeitigem Ladedruckabbau
zu beschleunigen oder zumindest auf einem höheren Drehzahlniveu
zu halten als herkömmliche Verfahren, wodurch ein besseres
Ansprechverhalten des Verdichters 5 und damit der Brennkraftmaschine 1 ermöglicht
ist.
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Eine
Kombination der vorstehend beschriebenen Verfahrensvarianten ist
auch denkbar.
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Zusätzlich
kann vorteilhaft ein dem Verdichter 5 eingangsseitig zugeführter
Luftmassenstrom 100 durch geeignete Drosselmitttel (nicht
gezeigt) gedrosselt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die
erfindungsgemäß aus der verdichteten abgelassenen
Luft 110a, 110b erhaltene Energie zur Beschleunigung
des Verdichterrads nicht zusätzlich noch zur Verdichtung
eines eingangsseitig zugeführten unnötig großen
Luftmassenstroms 100 verwendet werden muss, sondern vielmehr
allein zur Erhöhung der Drehzahl des Verdichterrads dient.
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Als
Drosselmittel können beispielsweise eine Irisblende, ein
Drosselventil und/oder eine Drosselklappe bzw. eine Stauklappe oder
dergleichen verwendet werden. Die Drosselung ermöglicht
insgesamt eine Verschiebung des Betriebspunkts des Verdichters 5 hin
zu höheren Wirkungsgraden und auch eine Erhöhung
des Volumenstroms der abgelassenen verdichteten Luft 110a zu
dem Verdichterrad. Durch den Betrieb bei höheren Wirkungsgraden
wird ein schnellerer Ladedruckaufbau nach einer vorangehenden Lastunterbrechung
erreicht. Im Fahrbetrieb eines die Brennkraftmaschine 1 enthaltenden Kraftfahrzeugs
wird dies durch einen schnelleren Momentenaufbau und ein deutlich
kürzeres Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine 1 spürbar.
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Einer
weiteren sehr vorteilhaften Erfindungsvariante zufolge kann die
abgelassene verdichtete Luft 110b auch auf eine separate
Turbine (nicht gezeigt) geleitet werden, die analog zu der Abgasturbine 55 eine
Abgasturboladers drehverbunden ist mit der Welle 55a, auf
der auch das Verdichterrad des Verdichters 5 angeordnet
ist. Die separate Turbine zur Beaufschlagung mit der abgelassenen
unter Ladedruck stehenden Luft 110b kann ganz besonders vorteilhaft
in einem eigenen Turbinengehäuse angeordnet sein und muss
insbesondere nicht im Bereich des Abgastrakts 1c angeordnet
sein, wo verhältnismäßig hohe Temperaturen
herrschen.
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2 zeigt
schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens. Ein erster Schritt 200 des erfindungsgemäßen
Betriebsverfahrens symbolysiert hierbei einen Normalzustand der
Brennkraftmaschine 1, in dem die Brennkraftmaschine 1 von
dem Verdichter 5 mit unter Ladedruck stehender Luft 110 versorgt
wird.
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Erfindungsgemäß wird
in dem Schritt 210 überprüft, ob ein
Lastwechsel der Brennkraftmaschine 1 derart vorliegt, dass
der von dem Verdichter 5 in dem Ansaugrohr 1a aufgebaute
Ladedruck möglichst kurzfristig abzubauen ist. Wenn dies
der Fall ist, verzweigt das erfindungsgemäße Verfahren
in den nachfolgenden Arbeitsschritt 220, in dem das Druckablassventil 5a erfindungsgemäß angesteuert
wird, und wobei die hierbei abgelassene verdichtete Luft 110a, 110b in
der vorstehend mehrfach beschriebenen Weise dazu verwendet wird,
entweder direkt das Verdichterrad des Verdichters 5 oder
auch die Turbine 55 des Abgasturboladers oder dergleichen
anzutreiben.
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Sofern
kein Lastwechsel stattfindet bzw. keine Verringerung des Ladedrucks
erforderlich ist, wird das Druckablassventil 5a nicht angesteuert,
vergleiche Schritt 230.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005010792
A1 [0003]