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STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor und auf ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer derartigen Aufladeanordnung.
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Obwohl auf beliebige Fahrzeuge anwendbar, wird die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf ein Personenkraftfahrzeug näher erläutert.
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Die Aufladung von Verbrennungsmotoren dient der Leistungssteigerung und der Steigerung des Wirkungsgrades. Zur Aufladung kommen beispielsweise Abgasturbolader zum Einsatz. Ein solcher Abgasturbolader weist eine von dem Abgas des Verbrennungsmotors angetriebene Turbine auf und einen über eine Turboladerwelle mit der Turbine gekoppelten Verdichter. Der Verdichter ist im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors angeordnet. Die Drehzahl des Verdichters und damit der so genannte Ladedruck ist durch die Drehzahl der Turbine oder genauer über den die Turbine durchströmenden Abgasmassenstrom vorgegeben. Der Verdichter saugt Luft an und verdichtet diese, wodurch im Ansaugtrakt des Motors eine entsprechend größerer Frischluftdruck und damit mehr Sauerstoff zur Verfügung steht als bei einem herkömmlichen Saugmotor. Damit erhöht sich der Motor-Mitteldruck und somit das Motor-Drehmoment, was zu einer höheren Leistungsabgabe des Motors führt. Bei geringer Motordrehzahl kann der Verdichter jedoch aufgrund der direkten Kopplung mit der aus den Verbrennungsmotor strömenden Abgasmenge keinen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen. Die vom Fahrzeugführer gewünschte und durch einen Tritt auf das Gaspedal eingeleitete Beschleunigung wird aufgrund der Massenträgheit der drehenden Teile des Turboladers nur verzögert durchgeführt. Für den Fahrzeugführer ergibt sich daher der Eindruck des sogenannten Turbolochs.
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Um bereits bei niedriger Drehzahl einen ausreichenden Ladedruck zur Verfügung stellen zu können entstanden Lösungsversuche mit elektrisch unterstützten Turboladern oder kombinierte Aufladeanordnungen mit einem Abgasturbolader und einem elektrischen Kompressor.
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In der
US 7,198,011 B2 ist eine Ladeanordnung für einen Verbrennungsmotor beschrieben, welche zur Aufladung des Verbrennungsmotors einen Abgasturbolader und einen Kompressor einsetzt. Der Abgasturbolader und der Kompressor sind über eine mit Ventilen versehene gemeinsame Sauganlage mit dem Brennraum des Verbrennungsmotors verbunden. Bei geringer Motordrehzahl liefert der Kompressor die komprimierte Frischluft, welche über ein in der Zylinderwand angeordneten Einlasskanal und ein im Zylinderkopf angeordnetes Einlassventil in den Brennraum eingeleitet wird. Unter Volllast liefert dagegen der Abgasturbolader die komprimierte Frischluft. Bei dieser Anordnung wird die Ladeluft des Kompressors und des Abgasturboladers durch gemeinsame Einlasskanäle in den Brennraum des Verbrennungsmotors eingebracht.
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Die
EP 1 460 248 B1 beschreibt einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit elektrisch unterstütztem Abgasturbolader. Hierbei sind im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zwei Abgasturbolader vorgesehen, von denen einer vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird und der andere über einen Elektromotor angetrieben wird. Die Ladeluft der beiden Abgasturbolader wird über ein gemeinsames Ansaugsystem dem Verbrennungsmotor zugeführt.
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Die
US 6,938,420 B2 beschreibt einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und einem zuschaltbaren elektrischen Kompressor. Mittels einer Drosselklappe ist der an dem Kompressor vorbeiströmende Luftstrom steuerbar. Die Ladeluft des Kompressors und des Abgasturboladers wird dem Verbrennungsmotor über eine gemeinsame Ansauganlage zugeführt.
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In der
US 5,771,868 ist eine Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor mit einem Abgasturbolader und einem Kompressor beschrieben. Der Kompressor und der Verdichter des Abgasturbolader sind in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors vorgesehen, wobei ein optionales Bypassventil ein Herumleiten der Frischluft um den Kompressor erlaubt. Auch hier wird die Ladeluft des Kompressors und des Abgasturboladers dem Verbrennungsmotor über eine gemeinsame Ansauganlage zur Verfügung gestellt.
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Die zuvor dargestellten Lösungsansätze weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Ladeluft dem Verbrennungsmotor über ein gemeinsames Ansaugsystem für Kompressor und Abgasturbolader zugeführt wird. Da der Abgasturbolader bei diesen Anordnungen den oberen Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors abdeckt, bei dem ein entsprechend großer Frischluftdurchsatz vorliegt für den der Kompressor nicht ausgelegt ist, stellt der Kompressor in diesem Drehzahlbereich ein Strömungshindernis im Ansaugsystem dar. Daher ist es erforderlich ein konstruktiv aufwändiges Bypasssystem zur Verfügung zu stellen, welches es ermöglicht die Frischluft je nach Betriebszustand des Verbrennungsmotors vollständig oder zumindest teilweise um den Kompressor herumzuleiten. Neben dem konstruktiven Aufwand ist ein derartiges Bypasssystem nur schwer in vorhandene Bordnetze zu integrieren.
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Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Aufladeanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Aufladeanordnung zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile beseitigen.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Aufladeanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
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Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Abgasturbolader, welcher einen Verdichter zum Verdichten von Frischluft aufweist, einer ersten Sauganlage, welche zum Zuführen von komprimierter Frischluft von dem Verdichter des Abgasturboladers zu einem Brennraum des Verbrennungsmotors einen ersten Einlasskanal aufweist, einem Kompressor zum Verdichten von Frischluft und einer zweiten Sauganlage, welche zum Zuführen von komprimierter Frischluft von dem Kompressor zu dem Brennraum des Verbrennungsmotors einen zweiten Einlasskanal aufweist, wobei der erste Einlasskanal und der zweite Einlasskanal getrennt voneinander ausgebildet sind und jeweils separat in den Brennraum des Verbrennungsmotors einmünden.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors mit einer Aufladeanordnung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit folgenden Verfahrensschritten: Verdichten von Frischluft mittels eines Verdichters eines Abgasturboladers, Zuführen von komprimierter Frischluft von dem Verdichter des Abgasturboladers zu einem Brennraum des Verbrennungsmotors mittels eines ersten Einlasskanals einer ersten Sauganlage, Verdichten von Frischluft mittels eines Kompressors und Zuführen von komprimierter Frischluft von dem Kompressor zu dem Brennraum des Verbrennungsmotors mittels eines zweiten Einlasskanals einer zweiten Sauganlage, wobei der erste Einlasskanal und der zweite Einlasskanal getrennt voneinander ausgebildet sind und jeweils separat in den Brennraum des Verbrennungsmotors einmünden.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, sowohl für den Verdichter des Abgasturboladers als auch für den Kompressor separate Sauganlagen vorzusehen, welche voneinander getrennt durch entsprechende Einlasskanäle in den Brennraum des Verbrennungsmotors einmünden. Hierdurch ist komprimierte Frischluft sowohl von dem Kompressor als auch von dem Verdichter des Abgasturboladers unabhängig voneinander zu dem Brennraum des Verbrennungsmotors zuführbar. Ein Herumleiten von Frischluft um den Kompressor bei hohen Motordrehzahlen ist nicht erforderlich. Weiterhin kann der Kompressor den Verbrennungsmotor kontinuierlich mit komprimierter Frischluft versorgen. Die vorliegende Erfindung stellt daher eine konstruktiv einfach aufgebaute und einfach zu steuernde Aufladeanordnung für einen Verbrennungsmotor und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeanordnung bereit.
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Die vorliegende Erfindung weist somit gegenüber den oben genannten Ansätzen gemäß dem Stand der Technik den Vorteil eines einfachen konstruktiven Aufbaus auf, der wenig Regelungsaufwand bedarf. Die vorliegende Erfindung weist weiterhin gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass durch die separaten Einlasskanäle eine sehr gute Ladungsbewegung im Brennraum des Verbrennungsmotors erreichbar ist.
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In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der im Patentanspruch 1 angegebenen Aufladeanordnung bzw. des im Patentanspruch 8 angegebenen Verfahrens.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die erste und/oder die zweite Sauganlage jeweils eine Drosselklappe auf. Hierdurch ist es möglich die Menge an zugeführter komprimierter Frischluft zu dem Brennraum des Verbrennungsmotors zu regeln, wodurch beispielsweise eine Ladungsbewegung und damit eine zuverlässige Gasdurchmischung im Brennraum erzeugbar ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kompressor als elektrisch angetriebener Kompressor ausgebildet ist, wodurch komprimierte Frischluft bzw. ein Ladedruck unabhängig von dem Betriebszustand des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht. Hierdurch ist beispielsweise bereits bei sehr geringen Motordrehzahlen ein ausreichender Ladedruck vorhanden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Kompressor derart ausgebildet, dass dieser unabhängig von einer Drehzahl des Verbrennungsmotors, bevorzugt mit seiner maximalen Fördermenge arbeitet. Hierdurch ist eine besonders einfache Steuerbarkeit des Kompressors gewährleistet, wodurch sich die Integrierbarkeit der Aufladeanordnung in bereits bestehende Bordnetze signifikant vereinfacht. Dies erweitert den Einsatzbereich der erfindungsgemäßen Aufladeanordnung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der erste und der zweite Einlasskanal bevorzugt mit unterschiedlichen Einlasskanalgeometrien und/oder mit unterschiedlichen Einlasskanalquerschnitten ausgebildet. Hierdurch wird zuverlässig eine Ladungsbewegung im Brennraum des Verbrennungsmotors, beispielsweise zum Erzeugen eines homogenen Gasgemisches, ermöglicht, wodurch sich der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen der erste und der zweite Einlasskanal jeweils Einlassventile auf, wobei Einlassventilhubkurven der Einlassventile derart ansteuerbar sind, dass verschiedene Einlasskanalquerschnitte erzielbar sind. Hierdurch ist ebenfalls komfortabel eine Ladungsbewegung im Brennraum des Verbrennungsmotors erzeugbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen der Kompressor und der Verdichter des Abgasturboladers unterschiedliche Ladedrücke auf, wodurch in besonders einfacher Art und Weise eine sehr gute Ladungsbewegung im Brennraum des Verbrennungsmotors erzeugt wird.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Menge der zugeführten komprimierten Frischluft zu dem Brennraum mittels der ersten und der zweiten Sauganlage jeweils durch eine Drosselklappe gesteuert, wodurch beispielsweise eine Ladungsbewegung und damit eine zuverlässige Gasdurchmischung im Brennraum erzeugbar ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird eine Frischluftversorgung des Abgasturboladers zugeschaltet wenn ein Soll-Ladedruck erreicht ist. Hierdurch wird erreicht, dass der Kompressor bis zu dem Soll-Ladedruck alleine die Aufladung des Verbrennungsmotors übernimmt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Kompressor als elektrisch angetriebener Kompressor ausgebildet ist, wobei der Kompressor mit seiner Nenndrehzahl, bevorzugt mit seiner maximalen Fördermenge, unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors arbeitet. Hierdurch ist beispielsweise bereits bei sehr geringen Motordrehzahlen ein ausreichender Laderdruck vorhanden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und der zweite Einlasskanal bevorzugt mit unterschiedlichen Einlasskanalgeometrien und/oder mit unterschiedlichen Einlasskanalquerschnitten ausgebildet. Hierdurch wird zuverlässig eine Ladungsbewegung im Brennraum des Verbrennungsmotors, beispielsweise zum Erzeugen eines homogenen Gasgemisches ermöglicht.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel nimmt die vom Kompressor bereitgestellte Menge an komprimierter Frischluft mit zunehmender Drehzahl des Verbrennungsmotors ab. Hierdurch sinkt der Energieverbrauch des Kompressors mit steigender Drehzahl des Verbrennungsmotors.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung nimmt die vom Verdichter des Abgasturboladers bereitgestellte Menge an komprimierter Frischluft mit zunehmender Drehzahl des Verbrennungsmotors zu. Da dem Abgasturbolader mit steigender Drehzahl des Verbrennungsmotors eine höhere Abgasmenge zum Betreiben des Verdichters zur Verfügung steht kann somit die kinetische und thermische Energie des Abgases effizienter genutzt werden
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ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Von den Figuren zeigen:
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1 eine beispielhaften Aufladeanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Aufsicht;
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2A eine bevorzugte Ausführungsform von Einlasskanälen in einer Detailansicht A gemäß der 1
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2B eine weitere bevorzugte Ausführungsform von Einlasskanälen in einer Detailansicht A gemäß der 1
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3 ein erstes Beispiel eines Aufladungskennfeldes eines Verbrennungsmotors mit einer Aufladeanordnung gemäß 1;
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4 ein weiteres Beispiel eines Aufladungskennfeldes eines Verbrennungsmotors mit einer Aufladeanordnung gemäß 1; und
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5 ein Beispiel eines Mittelduckverlaufes eines Verbrennungsmotors mit einer Aufladeanordnung gemäß 1.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In den Figuren der Zeichnung bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der 1 bis 5 erläutert.
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Eine Aufladeanordnung 1 für einen Verbrennungsmotor 2, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in den 1 und 2 schematisch dargestellt. Die Aufladeanordnung 1 weist einen Abgasturbolader 3 mit einem Verdichter 4, eine erste Sauganlage 5, einen Kompressor 8 und eine zweite Sauganlage 9 auf.
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Ein Verbrennungsmotor 2, der mit der Aufladeanordnung 1 versehen ist, weist mehrere Zylinder auf, welche in Brennräumen des Verbrennungsmotors 2 angeordnet sind. Im vorliegenden Beispiel der 1 sind vier Brennräume mit vier Zylindern dargestellt, zur Vereinfachung ist nur jeweils ein Brennraum 6 und ein Zylinder 15 mit einem Bezugszeichen versehen. Der Verbrennungsmotor 2 kann jedoch grundsätzlich mit einer beliebigen Anzahl an Brennräumen bzw. Zylindern ausgebildet sein. Im Folgenden wird nur auf einen Brennraum 6 bzw. auf einen Zylinder 15 Bezug genommen.
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Der Brennraum 6 des Verbrennungsmotors 2 ist über einen ersten Ansaugkrümmer 16 und eine an den ersten Ansaugkrümmer 16 angeschlossene erste Frischluftleitung 17 fluidisch mit dem Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 verbunden. Der Brennraum 6 weist einen ersten Einlasskanal 7 auf, über den die Frischluft aus dem Ansaugkrümmer 16 in den Brennraum 6 strömen kann. Alternativ dazu kann die Frischluft oder Ladeluft dem Brennraum 6 auch über mehrere erste Einlasskanäle zugeführt werden. In der ersten Frischluftleitung 17 ist eine erste Drosselklappe 11 angeordnet. Die erste Drosselklappe 11 befindet sich bevorzugt in einem Übergang von der ersten Frischluftleitung 17 zum ersten Ansaugkrümmer 16. Die erste Frischluftleitung 17 weist weiterhin einen ersten Ladeluftkühler 18 auf. Der Brennraum 6 des Verbrennungsmotors 2 ist darüber hinaus über einen Abgaskrümmer 19 und eine Abgasleitung 20 fluidisch mit einer Turbine 21 des Abgasturboladers verbunden. Der Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 ist zur Versorgung mit Frischluft oder zur im Falle des Einsatzes eines Abgasrückführungssystems zur Versorgung mit einem Gemisch aus Abgas und Frischluft über eine Verdichterzuführleitung 28 an einem Frischluftentnahmepunkt 25 angeschlossen. Mittels eines Bypasskanals 26 ist die erste Frischluftleitung 17 mit der Verdichterzuführleitung 28 verbindbar. Der Bypasskanal 26 weist ein Ladedrucksteuerventil 27 auf.
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Ein Kompressor 8 ist über eine zweite Frischluftleitung 22 und einen zweiten Ansaugkrümmer 23 ebenfalls mit dem Brennraum 6 des Verbrennungsmotors 2 fluidisch verbunden. Die Frischluft kann über einen zweiten Einlasskanal 10 aus dem zweiten Ansaugkrümmer 23 in den Brennraum 6 strömen. Alternativ dazu kann die Frischluft dem Brennraum 6 auch über mehrere zweite Einlasskanäle zugeführt werden. Der erste und der zweite Einlasskanal 7, 10 münden getrennt voneinander in den Brennraum 6 ein. In der zweiten Frischluftleitung 22 ist eine zweite Drosselklappe 12 angeordnet. Die zweite Drosselklappe 12 befindet sich bevorzugt in einem Übergang von der zweiten Frischluftleitung 22 zum zweiten Ansaugkrümmer 23. Ein zweiter Ladeluftkühler 24 ist in der zweiten Frischluftleitung 22 vorgesehen. Der Kompressor 8 ist bevorzugt als elektrisch angetriebener Kompressor 8 ausgebildet, welcher mittels eines Elektromotors 30 angetrieben wird. Dadurch ist die Drehzahl des Kompressors 8 unabhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 einstellbar. Alternativ dazu kann der Kompressor 8 auch als mechanischer Kompressor ausgebildet sein, welcher beispielsweise über eine Kurbelwelle 29 des Verbrennungsmotors 2 angetrieben wird. Die Frischluft für den Kompressor 8 ist diesem über eine Kompressorzuführleitung 31 vom Luftentnahmepunkt 25 zuführbar. Vom Luftentnahmepunkt 25 entnehmen sowohl der Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 als auch der Kompressor 8 die Frischluft, wobei die Verdichterzuführleitung 28 von der Kompressorzuführleitung 31 abzweigt.
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Die 2A und 2B zeigen das Detail A gemäß 1. In den 2A und 2B ist schematisch ein Ausschnitt eines Zylinderkopfes des Verbrennungsmotors 2 dargestellt, wobei der erste Einlasskanal 7 und der zweite Einlasskanal 10 zur Vereinfachung in einer Schnittebene dargestellt sind. Alternativ dazu können der erste und der zweite Einlasskanal 7, 10 auch in unterschiedlichen Ebenen in den Brennraum 6 des Verbrennungsmotors 2 einmünden. Der erste und der zweite Einlasskanal 7, 10 können zumindest teilweise in dem Zylinderkopf des Verbrennungsmotors 2 ausgebildet sein. Weiterhin können der erste Einlasskanal 7 bzw. der zweite Einlasskanal 10 auch Bestandteil des ersten Ansaugkrümmers 16 bzw. des zweiten Ansaugkrümmers 23 sein. Der erste und der zweite Einlasskanal 7, 10 weisen wie in den 2A und 2B dargestellt, einen runden Querschnitt auf. Alternativ dazu können der erste und/oder der zweite Einlasskanal 7, 10 jede andere beliebige Querschnittsform aufweisen.
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Um unterschiedliche Mengen an Ladeluft zu erreichen sind die Einlasskanäle 7, 10 beispielsweise mit unterschiedlichen Kanalgeometrien ausgestattet. 2A zeigt ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel, bei dem der erste und der zweite Einlasskanal 7, 10 unterschiedlich große Querschnitte q7, q10 aufweisen. Hierdurch können Mengenunterschiede der Ladeluft des Kompressors 8 und des Verdichters 4 des Abgasturboladers 3 erzeugt werden, wodurch im Brennraum 6 des Verbrennungsmotors 2 Ladebewegungen erzeugt werden. Hierdurch wird beispielsweise eine gute Gemischverwirbelung erreicht.
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Bei der in 2B dargestellten Ausführungsform werden unterschiedliche Größen der Einlasskanäle 7, 10 durch unterschiedlich Ventilhübe von Einlassventilen 13, 14 erreicht. Die Einlassventile 13, 14 sind bevorzugt in bekannter Art als Tellerventile ausgeführt. Alternativ dazu sind die Einlassventile 13, 14 beispielsweise auch als Flachschieberventile ausführbar. Durch eine entsprechende Ansteuerung der Einlassventilkurve sind in einfacher Art und Weise Unterschiede in der Ladeluftmenge des Verdichters 4 und des Kompressors 8 erreichbar.
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Im Betrieb des Verbrennungsmotors 2 mit der Aufladeanordnung 1 stellt im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 2 zunächst nur der Kompressor 8, welcher bevorzugt von dem bedarfsgesteuerten Elektromotor 30 angetrieben wird und bei hoher Last bevorzugt stets mit maximaler Fördermenge arbeitet, dem Verbrennungsmotor 2 über die zweite Sauganlage 9 komprimierte Frischluft oder im Falle einer Abgasrückführung ein komprimiertes Gas aus Frischluft und Abgas zur Verfügung. Der Strom der Ladeluft oder Frischluft ist durch die Pfeile 32 schematisch verdeutlicht. Der Kompressor 8 baut, unabhängig von Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors 2, einen Ladedruck auf. Dadurch, dass in dem komprimierten Luftvolumen pro Volumeneinheit mehr Sauerstoff vorhanden sind, kann im Verbrennungsmotor 2 pro Luftvolumeneinheit mehr Kraftstoff verbrannt werden, wodurch sich der Motor-Mitteldruck und damit Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors 2 erhöht. Es ist also bereits bei einer geringen Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 ein hoher Motor-Mitteldruck erreichbar. Der Abgasturbolader 3 ist durch frühe Luft- bzw. Gasversorgung des Kompressors 8 schnell aktiv.
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Sobald ein Sollladedruck in der ersten Frischluftleitung 17 erreicht ist, wird die erste Sauganlage 5 über die erste Drosselklappe 11 zugeschaltet. Der Sollladedruck wird über den Bypasskanal 26 und Ladedrucksteuerventil 27 gesteuert. Der Kompressor 8 arbeitet weiterhin mit seiner Nenndrehzahl und stellt dem Verbrennungsmotor 2 auch weiterhin seine Ladeluftmasse zur Verfügung. Ein Abschalten des Kompressors 8 ist nicht erforderlich. Durch ein Turbinenrad einer Turbine 21 des Abgasturboladers 3 wird die Energie des durch den Abgaskrümmer 19 und die Abgasleitung 20 zugeführten Abgase erniedrigt und die kinetisch und thermische Energie des Abgases in Rotationsenergie umgewandelt. Die Rotationsenergie wird über eine Turboladerwelle 34 auf ein Verdichterrad des Verdichters 4 übertragen. Der Verdichter 4 saugt Frischluft von dem Frischluftentnahmepunkt 25 an, komprimiert diese und führt die komprimierte Frischluft über die erste Ansauganlage 25 im Brennraum 6 des Verbrennungsmotors zu, wodurch sich wiederum der Motor-Mitteldruck und damit Leistungsausbeute des Verbrennungsmotors 2 erhöht. Der erste Ladeluftkühler 18 dient dabei der Kühlung der Frischluft. Die erste Drosselklappe 11 ist in diesem Betriebszustand geöffnet.
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Da der Kompressor 8 bereits bei geringer Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 eine hohe Ladeluftmasse zur Verfügung stellt, wird der Soll-Ladedruck bereits bei einer niedrigen Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 erreicht. Dadurch, dass der Kompressor 8 eine ausreichend hohe Ladeluftmasse zur Verfügung stellt wird der Abgasturbolader 3 im Vergleich zu einer Aufladeanordnung ohne Kompressor 8 deutlich früher angetrieben, wodurch der Ladedruck des Abgasturboladers 3 bereits bei einer geringen Motordrehzahl aufgebaut werden kann. Da die Aufladeanordnung 1 eine erste und eine zweite Sauganlage 5, 9 aufweist, welche über getrennte Einlasskanäle 7, 10 in den Brennraum 6 des Verbrennungsmotors 2 einmünden, ist es möglich eine sehr gute Ladungsbewegung im Brennraum 6 zu erreichen. Die Ladungsbewegung im Brennraum 6 wird optimiert, indem der Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 und der Kompressor 8 bevorzugt unterschiedliche Ladedrücke aufweisen. Darüber hinaus wird die Ladungsbewegung auch durch Mengenunterschiede in der Ladeluft erreicht, welche beispielsweise durch unterschiedliche Geometrien und/oder Querschnitte der Einlasskanäle 7, 10 erzielbar sind. Weiterhin wird dadurch, dass der Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 und der Kompressor 8 getrennte Sauganlagen 5, 9 mit separaten Einlasskanälen 7, 10 in den Brennraum 6 aufweisen ohne den Einsatz eines Bypasssystems zum Herumleiten der Frischluft um den Kompressor zuverlässig verhindert, dass der Kompressor 8 bei hohen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 2 den Ladeluftstrom des Verdichters 4 beeinflusst. Dadurch, dass der Kompressor 8 bevorzugt über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors mit Nenndrehzahl arbeitet kann auf eine komplexe Regelung des Kompressors verzichtet werden. Mit der Ladeanordnung 1 ist also bereits bei einer geringen Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 ein sehr hoher Motor-Mitteldruck erreichbar, wodurch sich das Anfahrverhalten und die Fahrdynamik eines Kraftfahrzeuges mit einer derartigen Aufladeanordnung 1 signifikant verbessert.
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3 zeigt ein erstes Beispiel eines Aufladungskennfeldes 35 eines Verbrennungsmotors 2 bei Volllast mit einer Aufladeanordnung 1 gemäß 1. Auf der x-Achse ist hierbei die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 und auf der y-Achse die vom Kompressor 8 und vom Verdichter 4 bereitgestellte Ladeluftmasse aufgetragen. Der Kompressor 8 wird in diesem Beispiel über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 2 mit Nenndrehzahl angetrieben und arbeitet so mit stets der gleichen Fördermenge. Die vom Kompressor 8 zur Verfügung gestellte Ladeluftmasse ist durch die schraffierte Fläche 36 dargestellt. Zunächst versorgt nur der Kompressor 8 den Verbrennungsmotor 2 mit Ladeluft. Die vom Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 ab dem Erreichen des Soll-Ladedrucks zur Verfügung gestellte Ladeluftmasse wird durch die gestrichelte Linie 37 dargestellt. Mit steigender Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 steigt die vom Verdichter 4 des Abgasturboladers 3 zur Verfügung gestellte Ladeluftmasse, da mit steigender Motordrehzahl auch die Menge des zur Verfügung stehenden Abgases ansteigt.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Aufladungskennfeldes 38 eines Verbrennungsmotors 2 mit einer Aufladeanordnung 1 gemäß 1. Die Bezeichnung der Achsen entspricht der Bezeichnung der 3. Die vom Kompressor 8 zur Verfügung gestellte Ladeluft ist durch die gepunktete Linie 39 gekennzeichnet, wohingegen die vom Verdichter 4 zur Verfügung gestellte Ladeluftmasse durch die gestrichelte Linie verdeutlicht wird. Die schraffierte Fläche 36 zeigt die Ladeluftmasse des Kompressors 8 gemäß dem Beispiel der 3. Im Gegensatz zu dem Aufladungskennfeld 35 der 3 nimmt hier mit zunehmender Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 die Ladeluftversorgung des Kompressors 8, wie durch den Pfeil 40 verdeutlicht, ab. Dies kann beispielsweise durch ein Betätigen des zweiten Einlasskanals 10 und/oder durch eine Reduktion der Drehzahl des Kompressors 8 erreicht werden. In diesem Ausführungsbeispiel mit variabler Drehzahl wird der Kompressor 8 nicht über den gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors 2 mit seiner Nenndrehzahl betrieben, sondern mit zunehmender Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 in seiner Drehzahl reduziert.
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5 zeigt ein Beispiel eines Mitteldruckverlaufes eines Verbrennungsmotors mit einer Aufladeanordnung gemäß 1. Auf der x-Achse ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 und auf der y-Achse der Motor-Mitteldruck des Verbrennungsmotors 2 aufgetragen. Die durchgehende Linie 41 verdeutlicht den Motor-Mitteldruckverlauf bei einem Verbrennungsmotor 2 mit einer Aufladeanordnung 1. Mit der Aufladeanordnung 1 ist nahezu über den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 2 ein hoher Mitteldruck zu realisieren. Hierdurch wird die Fahrdynamik und das Anfahren eines Kraftfahrzeuges mit einem Verbrennungsmotor 2 mit einer Aufladeanordnung 1 deutlich verbessert. Im Gegensatz dazu wird bei einer Aufladeanordnung gemäß dem Stand der Technik mit beispielsweise nur einem Abgasturbolader wie durch die strichpunktierte Linie 42 in 6 angedeutet, ein ausreichender Mitteldruck erst ab einer bestimmten Drehzahl des Verbrennungsmotors erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7198011 B2 [0005]
- EP 1460248 B1 [0006]
- US 6938420 B2 [0007]
- US 5771868 [0008]
