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Stand der Technik
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Der
CO2-Ausstoß von Verbrennungskraftmaschinen,
insbesondere von Personenkraftwagen steht im Mittelpunkt der aktuellen
Motorenentwicklung. Ein schon seit langem bekannter Weg, den Kraftstoffverbrauch
und somit auch den CO2-Ausstoß von
Verbrennungskraftmaschinen zu reduzieren, liegt im so genannten „Downsizing”.
Hierbei wird der Hubraum der Verbrennungskraftmaschine verkleinert und
gleichzeitig die Leistung der Verbrennungskraftmaschine mit verkleinertem
Hubraum mit Hilfe von Aufladung – um ein Beispiel zu nennen – über
einen Turbolader auf das gleiche Niveau zu bringen, wie das Leistungsniveau
einer Verbrennungskraftmaschine mit größerem Hubraum
jedoch ohne Aufladeeinrichtung. Dadurch wird erreicht, dass die
Verbrennungskraftmaschine im Teillastbetrieb in Betriebspunkten
mit höherem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Je nach
dem Grad des „Downsizing” sind Reduzierungen des
Kraftstoffverbrauches und damit auch des CO2-Ausstoßes
bis zu 30% möglich.
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Die
Nachteile aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen im Vergleich zu
Saugmotoren mit gleichen Nennleistungen liegen jedoch in einer merklichen
Anfahrschwäche sowie in einem ungünstigeren Drehmomentverlauf
im instationären Betrieb, so zum Beispiel in Beschleunigungsphasen.
Bedingt ist dies vor allem durch das Funktionsprinzip der Aufladeeinrichtungen,
bei denen vorzugsweise Turbolader eingesetzt werden, die zum Aufbau
eines Ladungsdruckes eine gewisse Abgasmenge benötigen,
welche wiederum erst bei Erreichen einer höheren Drehzahl
bzw. erhöhter Motorleistung zur Verfügung steht. Es
gibt bereits Ansätze, diese Nachteile aufgeladener Verbrennungskraftmaschinen
gegenüber Saugmotoren zu reduzieren. Ein Ansatz liegt in
der Verwendung von variablen Turbinen Geometrien (VTGs) bei Aufladeeinrichtungen
oder der Verwendung zwei unterschiedlich großer Aufladeeinrichtungen,
die in Reihen geschaltet werden. Dieses Prinzip ist auch unter dem
Begriff Stufenaufladung bekannt.
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Vor
allem bei Verbrennungskraftmaschinen mit sehr kleinen Hubräumen,
unterhalb von 1.000 cm3 sind diese Lösungsansätze
jedoch nicht zielführend, da u. a der Wirkungsgrad von
sehr kleinen Aufladeeinrichtungen, insbesondere von sehr kleinen Turboladern,
sehr gering ist, was zum einen den Kraftstoffverbrauch erhöht
und zum anderen aufgrund der Erhöhung des Abgasgegendruckes
zu einer Erhöhung des Restgasgehaltes führt. Dadurch wird
der erreichbare Zylindermitteldruck und somit auch das erreichbare
Drehmoment der Verbrennungskraftmaschine reduziert. Gleichzeitig
führen diese Effekte zu einer Erhöhung der Brennraumtemperatur,
was bei fremdgezündeten Verbrennungskraftmaschinen zu einer
erhöhten Klopfneigung führt. Dieser erhöhten
Klopfneigung wird im Allgemeinen durch eine Verschiebung des Zündzeitpunktes
in Richtung auf spät Rechnung getragen, wodurch sich jedoch
der Kraftstoffverbrauch weiter erhöht.
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EP 1 387 058 A2 bezieht
sich auf ein Verfahren zur Ladedruckregelung eines Verbrennungsmotors.
Die Verbrennungskraftmaschine umfasst einen ersten sowie einen zweiten
Abgasturbolader. Es ist ein erstes Stellglied vorgesehen, welches
eine Abgaszufuhr zu einem oder zu beiden Abgasturboleitern einstellt,
ferner ein zweites Stellglied vorhanden, das einer Einstellung eines
Abgasflusses über den zweiten Abgasturbolader dient. Zwischen
einer Ansteuerung des ersten Stellgliedes und einer Ansteuerung
des zweiten Stellgliedes kann umgeschaltet werden.
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Darstellung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, bei einer 2-stufig ausgebildeten Aufladung der Verbrennungskraftmaschine
die Hochdruckstufe als E-Booster, eine elektrisch angetriebene,
bevorzugt als Turbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung auszuführen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, einen mit Hilfe eines elektrisch
betreibbaren Kompressors befüllbaren Druckluftspeicher
vorzusehen.
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Dieser
erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbau ermöglicht
zum einen den Aufbau höherer Ladedrücke unabhängig
vom Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine hinsichtlich Drehzahl
und Leistung und zum anderen einen erheblich schnelleren Ladedruckaufbau
als bei bisher bekannten Systemen, da das Ladedruckniveau unabhän gig
von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine vorgehalten wird.
Hierdurch erreicht eine kleinvolumige aufgeladene Verbrennungskraftmaschine,
d. h. mit einem Hubraum unter 1.000 cm3 ein
Dynamikverhalten, welches dem eines nennleistungsgleichen Saugmotors
entspricht, wodurch sich ein entsprechend hoher Downsizinggrad erreichen
lässt.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsvariante des der Erfindung
zugrunde liegenden Gedankens wird die kleinvolumig ausgebildete
Verbrennungskraftmaschine mit einem Hubraum unterhalb von 1.000
cm3 als 2-zylindrige Verbrennungskraftmaschine
dargestellt. Diese ist eine Niederdruck-Aufladeeinrichtung, bevorzugt
ein Niederdruck-Turbolader zugeordnet, der eine Abgasturbine und
einen Niederdruck-Verdichter umfasst. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäß vorgeschlagene
System die mit Hilfe eines elektrischen Antriebs angetriebenen Hochdruck-Verdichter,
wobei der elektrische Antrieb und der Hochdruck-Verdichter als Baueinheit
einen elektrisch antreibbaren Verdichter bilden. Weiterhin verfügt
die Verbrennungskraftmaschine über den mit Hilfe des aus
einem elektrischen Antrieb und dem Kompressor bestehenden elektrischen
Kompressors, sowie eine mit Druckluft beaufschlagbaren Druckluftspeicher.
Ein Rückschlagventil verhindert, dass die im Druckluftbehälter
befindliche Druckluft zum elektrischen Kompressor strömt.
Mit Hilfe von Schaltventilen wird die Verbrennungskraftmaschine an
die Erfordernisse der unterschiedlichen Betriebsarten angepasst.
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Im
Wesentlichen lassen sich durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung vier Betriebsarten darstellen:
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Betriebsart I: Niedriglastbetrieb
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Bei
geringer Last wird die Verbrennungskraftmaschine als Saugmotor betrieben.
Der Luftbedarf wird mit Hilfe der Drosselklappe geregelt, wobei im
Ansaugsystem Unterdruck herrscht. Je nach Auslegung der Aufladeeinrichtung,
bei der es sich insbesondere um einen Turbolader handelt, bzw. je
nach Regelkonzept ist ein der Aufladeeinrichtung parallel geschaltetes
Wastegate geöffnet oder geschlossen.
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Betriebsart II: Teillastbetrieb
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In
dieser Betriebsart liegt der aufzubauende Ladedruck nicht allzu
hoch bzw. die zur Verfügung stehende Abgasmenge ist ausreichend,
so dass der Ladedruck allein von der Niederdruck-Aufladeeinrichtung
bereitgestellt werden kann. Der erzeugte Ladedruck kann mittels
eines Schaltventils eingestellt werden, in dem der über
der Dru ckauflade-Einrichtung geleitete Abgasstrom entsprechend reguliert wird.
Mit Hilfe des Rückschlagventils kann der Verdichter bei Überschreiten
eines bestimmten Druckverlustes umgangen werden.
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Betriebsart III: Anfahr- und Beschleunigungsbetrieb
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In
diesem Betriebsmodus wird ein hoher Ladedruck benötigt,
der in kurzer Zeit erreicht werden muss und dies gleichzeitig bei
einer nur geringen zur Verfügung stehenden Abgasmenge.
Der Ladedruck kann nicht mehr alleine durch die Niederdruck-Ladeeinrichtung
gestellt werden, sondern wird mit Hilfe des elektrisch angetriebenen
Verdichters erzeugt. Hierzu wird der elektrische Antrieb des E-Boosters bestromt,
so dass dieser in Rotation versetzt wird. In Folge der Drehbewegung
erzeugt der Hochdruck-Verdichter, der E-Booster einen entsprechenden
Ladedruck. Der Hochdruck-Verdichter ist in Reihe mit dem Verdichterteil
der Niederdruck-Aufladeeinrichtung geschaltet, so dass der vom Niederdruck-Verdichterteil
erzeugte geringe Druck als Eingangsdruck dem Hochdruck-Verdichterteil
zur Verfügung steht, wodurch die vom Hochdruck-Verdichter zu
erzeugende Druckerhöhung entsprechend reduziert werden
kann.
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Zwischen
der Bestromung des elektrischen Antriebes des E-Boosters und der
Erzeugung des erforderlichen Ladedruckes vergeht jedoch eine Zeitspanne,
welche hauptsächlich vom Trägheitsmoment des Laufzeugs
des elektrisch betriebenen E-Boosters beeinflusst wird. Zur Überbrückung
dieses Zeitraumes kann ein Schaltventil geöffnet werden
und Luft aus dem zuvor vom elektrisch betriebenen Kompressor mit
Druckluft beaufschlagtem Druckluftspeicher in die Brennräume
der Verbrennungskraftmaschine geleitet werden, so dass der erforderliche
Ladedruck fast unmittelbar zur Verfügung steht und somit
ein sehr dynamisches Anfahren bzw. Beschleunigen des Fahrzeuges
ermöglicht werden kann. Das bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen,
bei denen Abgasturbolader zur Aufladung eingesetzt werden, auftretende
Turboloch ist somit nicht mehr vorhanden.
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Betriebsart IV: Volllast
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Je
nach Auslegung der bevorzugt als Abgasturbolader ausgebildete Aufladeeinrichtung
wird der erforderliche Ladedruck alleine durch die Niederdruck-Aufladeeinrichtung
erzeugt, wobei das Wastegate geschlossen bzw. nahezu geschlossen
ist. Bei einer anderen Auslegung der Aufladeeinrichtung wird der
von der Niederdruck- Aufladeeinrichtung erzeugte Vordruck mit Hilfe
des E-Boosters zum endgültigen Ladedruck verdichtet.
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Um
bei schnellem Schließen der Drosselklappe ein Pumpen der
Niederdruck-Aufladeeinrichtung zu verhindern, kann ein Schaltventil
geöffnet werden. Mit Hilfe eines Ladeluftkühlers
kann die in Folge des Verdichtungsvorgangs erwärmte Luft
abgekühlt werden, so dass die im Brennraum gelangende Luftmasse
erhöht wird. Je nach Betriebskonzept kann der Ladeluftkühler
an unterschiedlichen Positionen an der Verbrennungskraftmaschine
platziert werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante (Systemschaltbild
3) ist das Schaltventil durch ein einstellbares Druckminderventil
ersetzt. Der von einem Steuergerät ermittelte Soll-Ladedruck wird
als Eingangsgröße an das Druckminderventil übermittelt.
Sobald der Ladedruck geringer als der Soll-Ladedruck ist, öffnet
das Druckminderventil und Luft kann aus dem Luftdruckspeicher in
die Brennräume der Verbrennungskraftmaschine gelangen. Gleichzeitig
wird die Bestromung des elektrisch betriebenen Verdichters, d. h.
E-Boosters, erhöht, so dass dieser einen höheren
Druck erzeugen kann. Sobald der erzeugte Ladedruck dem Soll-Ladedruck entspricht,
schließt das Druckminderventil. Der in Folge der Luftentnahme
reduzierte Druck im Druckluftspeicher wird mit Hilfe des elektrischen
angetriebenen Kompressors wieder angehoben. Die Anordnung des Ladeluftkühlers
bei dieser Ausführungsvariante (Systemschaubild 3) kann
auch an anderen Stellen im Motorraum erfolgen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehend beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 ein
erstes Systemschaltbild für die erfindungsgemäß vorgeschlagene
2-stufige Aufladung mit E-Booster,
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2 ein
weiteres Systemschaltbild für eine weitere Ausführungsvariante
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen 2-stufigen
Aufladung mit der Drosselklappe vorgeschalteten Ladeluftkühler
und
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3 ein
Systemschaltbild für eine Ausführungsvariante,
bei der ein Druckminderventil eingesetzt wird.
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Ausführungsvarianten
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung
wird nachstehend anhand der 1 bis 3 eingehender
erläutert. Unter einer kleinvolumigen Verbrennungskraftmaschine 52 wird
nachfolgend eine Verbrennungskraftmaschine mit zwei oder drei Zylindern
mit einem Hubraum in der Größenordnung von 1.000
cm3 verstanden. Im vorliegenden Zusammenhang
ist eine Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 bevorzugt als
Abgasturbolader beschaffen.
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Der
Darstellung gemäß 1 ist ein
erstes Systemschaubild der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Aufladeeinrichtung zu entnehmen. Ein Niederdruck-Verdichterteil 18 einer
Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 saugt Verbrennungsluft über
einen Filter 10 an. Die angesaugte Luft wird im Niederdruck-Verdichterteil 18 auf
einen erhöhten Ausgangsdruck gebracht. Die verdichtete
Luft wird anschließend in einem dem Ausgang des Niederdruck-Verdichterteils 18 nachgeschalteten
Ladeluftkühler 20 abgekühlt, bevor sie
einer Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 zugeströmt.
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Der
Niederdruck-Verdichterteil 18 der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 wird über
ein Niederdruck-Turbinenteil 16, der über das
Abgas einer Verbrennungskraftmaschine 52 angetrieben wird,
beaufschlagt.
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Eine
Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 ist in Reihe zur Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14,
bei der es sich bevorzugt um einen Abgasturbolader handelt, geschaltet.
Die Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 wird durch einen Hochdruck-Verdichterteil 28 dargestellt,
der über einen Elektroantrieb 26 angetrieben ist.
Damit erfolgt der Antrieb der Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 unabhängig
von Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 52.
Bei der Verbrennungskraftmaschine 52 gemäß der
Darstellung in 1 handelt es sich um einen 2-Zylinder-Verbrennungsmotor,
dessen Zylinder durch Bezugszeichen 54 angedeutet sind,
wobei mit dem Bezugszeichen 56 jeweils Ein- und Auslassventile
der beiden Zylinder 54 bezeichnet sind.
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Wie
aus dem Systemschaubild gemäß 1 des
Weiteren hervorgeht, ist ausgangsseitig des Hochdruck-Verdichterteils 28 ein
erstes Rückschlagventil 30 aufgenommen. Parallel
zur Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 ist zwischen dem Ladeluftkühler 20 und
einem zweiten Schaltventil 34 ein zweites Rückschlagventil 32 vorgesehen.
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Um
bei einem schnell erfolgenden Schließen der Drosseleinrichtung 46 ein
Pumpen der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 24 zu vermeiden,
ist ein erstes Schaltventil 22 vorgesehen. Aus dem Systemschaubild
gemäß 1 geht des Weiteren hervor, dass
den Zylindern 54 der Verbrennungskraftmaschine 52 eine
hier nur schematisch als Drosselklappe angedeutete Drosseleinrichtung 46 vorgeschaltet
ist.
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Des
Weiteren umfasst die Aufladeeinrichtung gemäß der
Darstellung in 1 einen Druckluftspeicher 36,
dem unter Zwischenschaltung eines weiteren dritten Rückschlagventils 38,
ein Kompressor 40 vorgeschaltet ist, der über
einen Elektroantrieb 42 verfügt. Damit lässt
sich auch der Druckluftspeicher 36 unabhängig
von Drehzahl und Last der Verbrennungskraftmaschine mit Druckluft
beaufschlagen. Zwischen den beiden Rückschlagventilen 30, 32 und
dem Druckluftspeicher 36 ist ein zweites Schaltventil 34 angeordnet.
Ein drittes Schaltventil 48 wird schließlich durch
ein Wastegate gebildet, welches parallel zum Niederdruck-Turbinenteil 16 der
Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 liegt, und über
welchen der Ladedruck der durch die Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 erzeugt
wird, eingestellt werden kann. Stromab des dritten Schaltventils 48,
d. h. des Wastegates, bzw. dem Stromab des Ausgangs des Niederdruck-Turbinenteils 16 ist
ein Katalysator angeordnet, in den das von der Verbrennungskraftmaschine 52 abgeführt
Abgas gereinigt werden kann.
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Aus
der Darstellung gemäß 2 geht ein weiteres
Systemschaltbild der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Aufladeeinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen hervor.
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Das
Systemschaubild gemäß der Darstellung in 2 unterscheidet
sich von dem vorstehend in Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Systemschaubild dadurch, dass der Ladeluftkühler 20 nicht stromab
des Niederdruck-Verdichter-teils 18 in der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 angeordnet
ist, sondern sich unmittelbar vor der Drosseleinrichtung 46 befindet.
Somit wird nicht nur die aus dem Niederdruck-Verdichterteil 18 abströmende
verdichtete Luft gekühlt, sondern auch die Druckluft, die
im Druckluftspeicher 36 bevorratet wird und nach Öffnen
des zweiten Schaltventils 34 über den Ladeluftkühler 20 und
die Drosseleinrichtung 46 den Zylindern 54 der kleinvo lumigen
Verbrennungskraftmaschine 52 zuströmt. Auch die über
das erste Rückschlagventil 30 ausgangs des Hochdruck-Verdichterteils 28 abströmende
Luft passiert den Ladeluftkühler 20 der der Drosseleinrichtung 46 vorgeschaltet
ist. Eine Abkühlung der verdichteten Luft hat den Vorteil,
dass der Füllungsgrad der Zylinder 54 der Verbrennungskraftmaschine 52 durch
Abkühlung der verdichteten Luft ab Aufrechterhaltung des
Ladedruckniveaus verbessert werden kann.
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Abgesehen
von der Positionierung des Ladeluftkühlers 20 in
dem Systemschaubild gemäß der Darstellung in 2,
ist die in 2 dargestellte Aufladeeinrichtung
identisch mit dem in 1 dargestellten Systemschaubild.
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3 zeigt,
dass anstelle des zweiten Schaltventils 34 wie in den Systemschaubildern
gemäß 1 und 2 gezeigt,
ein Druckminderventil 50 Verwendung findet. Der Ladeluftkühler 20 befindet sich
in einer Position, die identisch zur Position des Ladeluftkühlers 20 im
Systemschaubild gemäß der Darstellung in 2 ist.
Durch diese Positionierung des Ladeluftkühlers 20 ist
die Abkühlung sämtlicher verdichteter Frischluft
gewährleistet, die über die Drosseleinrichtung 46 den
Zylindern 54 der kleinvolumigen Verbrennungskraftmaschine 52 zugeführt wird.
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Ein
von einem Steuergerät ermittelter Soll-Ladedruck wird als
Eingangsgröße an das Druckminderventil 50 übertragen.
Sobald der tatsächliche Ladedruck geringer ist als der
vorgegebene Soll-Ladedruck, öffnet das Druckminderventil 50 und
Druckluft kann aus dem Druckluftspeicher 36 entweichen
und zu den Zylindern 54 der Verbrennungskraftmaschine 52 gelangen.
Die bei Unterschreitung des Soll-Ladedrucks beim Öffnen
des Druckminderventils 50 aus dem Druckluftspeicher 36 abströmende
Luft, passiert ebenfalls den Ladeluftkühler 20 und
wird demzufolge vor Einströmung in die Zylinder 54 der
Verbrennungskraftmaschine 52 ebenfalls abgekühlt,
so dass die Füllung der Zylinder 54 mit Frischluft
verbessert werden kann.
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Auch
in den Systemschaubildern gemäß der Darstellung
in den 2 und 3 ist die Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 als
Abgasturbolader beschaffen und umfasst den Niederdruck-Turbinenteil 16,
der durch das Abgas angetrieben wird wie den Niederdruck-Verdichterteil 18.
In den beiden Ausführungsvarianten der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Aufladeeinrichtung gemäß der 2 und 3 wird
die Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 durch den mittels des
Elektroantriebs 26 angetriebenen Hochdruck-Verdichterteil 28 dargestellt.
Beiden Sys temschaubildern gemäß den 2 und 3 ist
ebenfalls gemeinsam, dass ein Druckluftspeicher 36 vorgesehen
ist, der unter Zwischenschaltung eines dritten Rückschlagventils 38 über
einen mit einem Elektroantrieb 42 versehenen Kompressor 40 unabhängig
von Last und Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 52 befüllt
wird.
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Im
Folgenden werden die unterschiedlichen Betriebsarten der Verbrennungskraftmaschine 52 beschrieben,
bei denen die in den Systemschaubildern gemäß der 1, 2 und 3 dargestellten Komponenten
des Systems unter Herausarbeitung der sich einstellenden Unterschiede
eingehender beschrieben werden:
Bei sehr geringer Last der
Verbrennungskraftmaschine 52 wird diese rein saugmotorisch
betrieben. Der Luftbedarf der Verbrennungskraftmaschine wird mit Hilfe
der Drosseleinrichtung 46 geregelt. Im Ansaugsystem herrscht
Unterdruck. Je nach Auslegung der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 bzw.
der Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 bzw. des Regelkonzeptes
ist das im Abgastrakt, parallel zum Niederdruck-Turbinenteil 16 angeordnete
dritte Schaltventil 48, d. h. das Wastegate, geöffnet
oder geschlossen.
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In
einer weiteren Betriebsart, dem Teillastbetrieb, ist der erforderliche
Ladedruck nicht allzu hoch bzw. die zur Verfügung stehende
Abgasmenge ist ausreichend, so dass der Ladedruck alleine von der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 gestellt
werden kann. Der erzeugte Ladedruck wird mittels des dritten Schaltventils 48,
welches parallel zum Niederdruck-Turbinenteil 16 der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 liegt,
eingestellt. Mittels des Wastegates 48, d. h. des dritten
Schaltventils, wird der über die Niederdruck-Turbinenteil 16 der
Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 geleiteten Abgasmassenstrom
reguliert. Mit Hilfe des zweiten Rückschlagventils 32 kann
der Hochdruck-Verdichterteil 28 der Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24,
der über den E-Antrieb 26 antreibbar ist, bei Überschreiten
eines bestimmten Druckverlustes umgangen werden.
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In
einer dritten Betriebsart, die durch Anfahr- und Beschleunigungsbetrieb
gekennzeichnet ist, wird ein hoher Ladedruck benötigt.
Dieser hohe Ladedruck ist in kurzer Zeit zu erreichen, wobei zu
beachten ist, dass gleichzeitig die zur Verfügung stehende
Abgasmenge noch relativ gering ist. Dies bedeutet, dass der hohe
Ladedruck aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden
Abgasmenge nicht von der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 alleine
gestellt werden kann, sondern bei dieser Betriebsart wird in vorteilhafter
Weise die Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24, die dank des
Elektroantriebs 26 unabhängig von Last und Drehzahl
der Verbrennungskraftmaschine 52 be trieben werden kann,
zur Erzeugung des erforderlichen Ladedruckes verwendet. Hierzu wird
der elektrische Antrieb 26 bestromt, so dass der Hochdruck-Verdichterteil 28 den
entsprechenden Ladedruck erzeugt. Die Hochdruck-Aufladeeinrichtung
wird nun als so genannte E-Booster eingesetzt.
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Der
Hochdruck-Verdichterteil 28 ist in Reihe mit dem Niederdruck-Verdichterteil 18 der
Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 geschaltet, so dass der ausgangsseitig
vom Niederdruck-Verdichterteil 18 gestellte Ladedruck als
Eingangsdruck dem Hochdruck-Verdichterteil 28 der Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 zur
Verfügung steht. Dadurch wird die unmittelbar durch die
Hochdruck-Aufladeeinrichtung 24 zu erzeugende Druckerhöhung
reduziert.
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Zwischen
der Bestromung des elektrischen Antriebs 26 und der Erzeugung
des erforderlichen Ladedrucks vergeht eine Zeitspanne, deren Länge hauptsächlich
vom Trägheitsmoment des Laufzeugs des Hochdruck-Verdichterteils 28 beeinflusst
wird. Zum Überbrücken dieser unvermeintlich auftretenden
Zeitspanne wird ein zweites Schaltventil 34 geöffnet.
Dadurch entweicht aus dem zuvor über den elektrischen Kompressor 40 mit
Druckluft beaufschlagten Druckluftspeicher 36 Druckluft
und strömt über den Ladeluftkühler 20 in
die Drosseleinrichtung 46 in die Zylinder 54 der
kleinvolumigen Verbrennungskraftmaschine 52 ein. Somit
steht der erforderliche Ladedruck nahezu unmittelbar zur Verfügung, wodurch
sich ein sehr dynamisches Anfahren bzw. Beschleunigen des Fahrzeuges
erreichen lässt. Das bei aufgeladenen Verbrennungskraftmaschine 52 typische
Turboloch ist somit nicht mehr vorhanden.
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In
einer weiteren, vierten Betriebsart, die durch die Volllast der
Verbrennungskraftmaschine 52 charakterisierbar ist, wird
je nach Auslegung der Aufladeeinrichtungen 14 bzw. 24 der
erforderliche Ladedruck alleine durch die Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 erzeugt,
wobei das Wastegate 48, d. h. das dritte Schaltventil 48,
vollständig geschlossen ist, so dass der gesamte von der
Verbrennungskraftmaschine 52 erzeugte Abgasstrom über
den Niederdruck-Turbinenteil 16 der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 geführt
wird. Bei einer anderen Auslegung der Aufladeeinrichtungen 14 bzw. 24 wird
der von der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 erzeugte Vordruck
mit Hilfe der Hochdruck-Aufladeein-richtung 24 zum endgültigen
Ladedruck verdichtet.
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Um
bei einem schnellen Schließen der Drosseleinrichtung 46 ein
Pumpen des Niederdruck-Verdichterteils 18 der Niederdruck-Aufladeeinrichtung 14 zu
vermeiden, wird das erste Schaltventil 22 geöffnet.
Mit Hilfe des Ladeluftkühlers 6 wird die in Folge des
Verdichtungsvorgangs erwärmte Luft abgekühlt, so
dass die in die Zylinder 54 gelangte Luftmasse erhöht
wird. Je nach Betriebskonzept kann, wie in 1 dargestellt,
der Ladeluftkühler 20 unmittelbar dem Niederdruck-Verdichterteil 18 nachgeschaltet werden
oder der Ladeluftkühler 20 kann wie in den Systemschaubildern
gemäß der 2 und 3 gezeigt,
unmittelbar vor der Drosseleinrichtung 46 platziert werden.
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Im
Zusammenhang mit dem in 3 darstellten Systemschaubild
verdient Erwähnung, dass dort das zweite Schaltventil 34 durch
ein Druckminderventil 50 ersetzt ist. Dieses einstellbare
Druckminderventil 50 erhält vom Steuergerät
ein Signal, welches einem Sollwert für den Ladedruck entspricht. Dieses
dem Soll-Ladedruck entsprechende Signal dient als Eingangsgröße
für das Druckminderventil 50. Sobald der tatsächliche
Ladedruck geringer ist als der Soll-Ladedruck, öffnet das
Druckminderventil 50 und Luft strömt vom Druckluftspeicher 36 über
das Druckminderventil 50, den Ladeluftkühler 20 und
die Drosseleinrichtung 46 in die Zylinder 54 der
kleinvolumigen Verbrennungskraftmaschine 52.
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Gleichzeitig
wird die Bestromung der Hochdruck-Ladeeinrichtung 22 erhöht,
so dass diese einen höheren Ladedruck erzeugt. Sobald der
Ladedruck dem Soll-Ladedruck entspricht, schließt das Druckminderventil 50.
In Folge der Druckluftentnahme aus dem Druckluftspeicher 36,
wird der dort reduzierte Druck mit Hilfe des elektrischen Kompressors 40,
der über den unabhängigen Elektroantrieb 42 angetrieben
ist, wieder angehoben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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