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Die Erfindung betrifft ein System aus einem Verbrennungsmotor, mindestens einer durch Unterdruck betriebenen Funktionskomponente und einer mit der Funktionskomponente verbundenen Unterdruckpumpe, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems.
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Es ist bekannt, einzelne Funktionskomponenten eines Kraftfahrzeugs pneumatisch zu betreiben. Beispielsweise ist bei einem pneumatischen Bremskraftverstärker das Bremspedal mit einer Membran verbunden, die ein Druckgehäuse in zwei Druckkammern unterteilt. Bei einem unbetätigten Bremspedal herrscht in beiden Druckkammern ein gleicher, unter dem atmosphärischen Druck liegender Druck. Dieser Unterdruck wird von einer Unterdruckquelle des Kraftfahrzeugs erzeugt. Wird das Bremspedal betätigt, so wird die Verbindung der bremspedalseitigen Druckkammer zu der Unterdruckquelle unterbrochen und ein Ventil geöffnet, um die bremspedalseitige Druckkammer mit der Atmosphäre zu verbinden. Dadurch wird ein Druckunterschied auf den beiden Seiten der Membran erzeugt, der die auf das Bremspedal ausgeübte Fußkraft verstärkt.
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Bei frei saugenden, nach dem Otto-Prinzip arbeitenden Verbrennungsmotoren (Ottomotoren) kann der für den Betrieb des Bremskraftverstärkers oder der sonstigen pneumatischen Funktionskomponente erforderliche Unterdruck in der Regel in ausreichendem Maße hinter einer in einem Saugrohr des Verbrennungsmotors angeordneten Drosselklappe abgegriffen werden (vgl. beispielsweise
DE 198 14 979 A1 ).
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Direkteinspritzende Ottomotoren und Dieselmotoren benötigen dagegen prinzipiell keine Drosselklappe. Dann besteht selbstverständlich auch nicht die Möglichkeit, einen zum Betrieb einer pneumatischen Funktionskomponente erforderlichen Unterdruck im Ansaugtrakt dieser Verbrennungsmotoren abzugreifen. Gleiches gilt für (alle) aufgeladene Verbrennungsmotoren, die regelmäßig ein zu hohes Druckniveau im Ansaugtrakt aufweisen, als dass damit die pneumatischen Funktionskomponenten sicher betrieben werden könnten. Stand der Technik ist daher, bei solchen Motoren den für den Betrieb der pneumatischen Funktionskomponenten und insbesondere eines Bremskraftverstärkers erforderlichen Unterdruck durch eine Unterdruckpumpe bereitzustellen.
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Obwohl direkteinspritzende Ottomotoren und Dieselmotoren grundsätzliche keine Drosselklappe benötigen, werden diese häufig aus unterschiedlichen Gründen dennoch mit einer solchen im Ansaugtrakt versehen. Diese wird aber regelmäßig nur in wenigen, selten auftretenden Betriebszuständen des Verbrennungsmotors so weit geschlossen, dass ein für einen Betrieb einer pneumatischen Funktionskomponente ausreichender Unterdruck erzeugt würde. Daher werden bei derartigen Verbrennungsmotoren die pneumatischen Funktionskomponenten weiterhin durch separate Unterdruckpumpen betrieben.
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Wesentliche Nachteile der Verwendung einer Unterdruckpumpe sind der damit verbundene konstruktive und somit finanzielle Aufwand sowie der Energieverbrauch der Unterdruckpumpe, der sich negativ auf den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs auswirkt. Zudem benötigt die Unterdruckpumpe einen nicht unwesentlichen Bauraum.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes System aus einem Verbrennungsmotor und einer von einer Unterdruckpumpe betriebenen, pneumatischen Funktionskomponente sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Die Erfindung basiert auf der Idee, bei solchen Verbrennungsmotoren, die prinzipbedingt auf eine Unterdruckpumpe für den Betrieb von pneumatisch betriebenen Funktionskomponenten zurückgreifen müssen, eine (zusätzliche) Verbindung der Funktionskomponente mit einer Unterdruckquelle des Verbrennungsmotors zu schaffen, um durch die zusätzliche Nutzung des von dem Verbrennungsmotor erzeugten Unterdrucks die Unterdruckpumpe zu entlasten.
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Demnach ist ein erfindungsgemäßes System, das zumindest einen Verbrennungsmotor, zumindest eine durch Unterdruck betriebene Funktionskomponente, wie beispielsweise einen pneumatischen Bremskraftverstärker, sowie eine Unterdruckpumpe aufweist, die einen Unterdruck für den Betrieb der Funktionskomponente erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionskomponente zusätzlich mit einer Unterdruckquelle des Verbrennungsmotors verbunden ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines solchen Systems zeichnet sich dadurch aus, dass die Funktionskomponente (alternativ) sowohl von der Unterdruckquelle des Verbrennungsmotors als auch von der Unterdruckpumpe betrieben wird, wobei primär der von der Unterdruckquelle bereit gestellte Unterdruck zum Einsatz kommen soll.
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Der Begriff ”Unterdruck” bezieht sich auf die Druckdifferenz zu einem Referenzdruck, der in Verbindung mit dem ”Unterdruck” zu dem Betrieb der Funktionskomponente herangezogen wird. In den meisten Fällen, wie beispielsweise auch bei einem pneumatischen Bremskraftverstärker, wird es sich bei diesem Referenzdruck um den atmosphärischen Druck handeln. Bei einem ”Unterdruck” handelt es sich erfindungsgemäß somit um ein Druckniveau, das unterhalb desjenigen des Referenzdrucks liegt.
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Als ”Unterdruckquelle” kommen sämtliche Funktionselemente in Frage, die einen Druck unterhalb des Referenzdrucks erzeugen bzw. in denen ein solcher Druck herrscht. Dies kann insbesondere der Bereich hinter einer Drosselklappe im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors sein.
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Die Erfindung ermöglicht beispielsweise die bei direkteinspritzenden Ottomotoren und Dieselmotoren vorhandene Drosselklappe als Unterdruckquelle zur Unterstützung der Unterdruckpumpe zu verwenden. Im Prinzip handelt es sich hierbei um eine Form der Rekuperation, d. h. der Energierückgewinnung, denn der Drosselverlust durch die Drosselklappe wird erfindungsgemäß für den Betrieb der pneumatischen Funktionskomponente verwendet, wodurch der Betrieb der Unterdruckpumpe reduziert werden kann. Im gleichen Maße reduziert sich dadurch auch der Energieverbrauch der Unterdruckpumpe. Zudem kann die Unterdruckpumpe – da deren Leistungsanforderung sinkt – kleiner (und gegebenenfalls auch nicht dauerfest) dimensioniert werden, wodurch die Kosten und der erforderliche Bauraum reduziert werden können.
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Um möglichst den von dem Verbrennungsmotor erzeugten Unterdruck auch dann nutzen zu können, wenn von der Funktionskomponente gerade kein Unterdruck „verbraucht” wird, kann die Funktionskomponente über eine Druckspeicherkammer mit der Unterdruckquelle verbunden sein. Die Druckspeicherkammer wird somit immer dann (teilweise) evakuiert, wenn der Verbrennungsmotor Unterdruck erzeugt. Der so in der Druckspeicherkammer erzeugte Unterdruck kann dann bei Bedarf für den Betrieb der Funktionskomponente herangezogen werden und steht insbesondere auch dann zur Verfügung, wenn sich der Verbrennungsmotor in einem Betriebszustand befindet, in dem kein oder nur sehr wenig Unterdruck erzeugt wird.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines System mit einem Verbrennungsmotor und einer durch Unterdruck betriebenen Funktionskomponente kann erreicht werden, dass der von der Unterdruckquelle des Verbrennungsmotors erzeugte Unterdruck ausgenutzt werden kann, auch wenn dieser nicht für den alleinigen Betrieb der Funktionskomponente ausreichend ist und daher weiterhin auf eine Unterdruckpumpe zurückgegriffen werden muss. Hierdurch kann jedoch die Unterdruckpumpe entlastet werden und insbesondere nur dann zum Einsatz kommen, wenn der Druck in der Druckspeicherkammer ein Niveau überschritten hat, das für den (sicheren) Betrieb der Funktionskomponente nicht (mehr) ausreichend ist. In diesem Fall kann die Unterdruckpumpe dann verwendet werden, die Funktionskomponente direkt mit dem für den Betrieb erforderlichen Unterdruck zu versorgen.
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Bei einer ”Druckspeicherkammer” handelt es sich um einen von einem druckfesten Gehäuse umgebenen Raum, dessen Volumen im Verhältnis zu dem Volumen der Leitungen, mit denen die Druckspeicherkammer mit der Unterdruckquelle des Verbrennungsmotors bzw. mit der Funktionskomponente verbunden ist, vergleichsweise groß und vorzugsweise erheblich größer ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Druckspeicherkammer in einen Strukturhohlraum einer Karosserie oder eines Fahrgestells eines ein erfindungsgemäßes System aufweisenden Kraftfahrzeugs integriert ist. Dadurch kann vermieden werden, dass für die Druckspeicherkammer ein zusätzlicher Bauraum bereitgestellt werden muss. Die Integration der Druckspeicherkammer kann vorsehen, die mit einem eigenen Gehäuse vorgesehene Druckspeicherkammer in dem Strukturhohlraum anzuordnen. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, den Strukturhohlraum selbst als Druckspeicherkammer zu verwenden, wozu dieser gegebenenfalls noch ausreichend versiegelt und mit geeigneten Anschlüssen versehen werden muss. Durch die dadurch erreichte Doppelnutzung des Strukturhohlraums kann ein durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Systems bedingtes Mehrgewicht reduziert werden.
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Bei einem ”Strukturhohlraum” handelt es sich erfindungsgemäß um einen von den Komponenten der Karosserie oder des Fahrgestells ausgebildeten Hohlraum, bei dem es sich nicht um einen Funktionshohlraum (insbesondere Passagierraum) oder einen Nutzhohlraum (insbesondere Motorraum und Kofferraum) handelt.
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Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Strukturhohlraum, in den die Druckspeicherkammer integriert ist, um den Innenraum eines Längsträgers der Karosserie bzw. des Fahrgestells handeln. Dieser kann gegebenenfalls durch das Einbringen eines oder mehrerer Wände auf das für die Druckspeicherkammer gewünschte Volumen reduziert werden.
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Um einen unnötigen Betrieb der Unterdruckpumpe zu vermeiden ist vorzugsweise vorgesehen, dass keine fluidleitende Verbindung zwischen der Unterdruckpumpe und der Druckspeicherkammer besteht. Dadurch kann erreicht werden, dass die Druckspeicherkammer nur von der Unterdruckquelle des Verbrennungsmotors und nicht von der Unterdruckpumpe evakuiert wird.
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Da die Funktionskomponente entweder von der Druckspeicherkammer oder der Unterdruckpumpe betrieben, d. h. evakuiert wird, kann es erforderlich sein, die mit der Funktionskomponente verbundene Leitung bedarfsweise mit entweder der Druckspeicherkammer oder der Unterdruckpumpe zu verbinden. Dies kann vorzugsweise mittels einer Ventileinheit erfolgen.
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Eine erfindungsgemäß bevorzugte, weil konstruktive einfache und somit kostengünstige Lösung einer solchen Ventileinheit besteht darin, dass ein erstes Ventil vorgesehen ist, das die Verbindung zwischen Unterdruckpumpe und Funktionskomponente bei einem Überdruck auf der Seite der Unterdruckpumpe schließt, und ein zweites Ventil vorgesehen ist, das die Verbindung zwischen Druckspeicherkammer und Funktionskomponente bei einem Überdruck auf der Seite der Druckspeicherkammer schließt.
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Bei diesen Ventilen kann es sich um beliebige Ventile handeln, beispielsweise auch um aktiv schaltbare Ventile. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass zumindest eines, vorzugsweise beide Ventile als einfache Rückschlagventile ausgebildet sind. Bei einem Anlaufen der Unterdruckpumpe sorgt der so erzeugte Unterdruck somit für ein automatisches Schließen und Öffnen der Rückschlagventile, was dazu führt, dass die Verbindung zwischen der Funktionskomponente und der Unterdruckpumpe geöffnet und die entsprechende Verbindung zwischen der Funktionskomponente und der Druckspeicherkammer geschlossen wird.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Unterdruckpumpe automatisch in Abhängigkeit von dem im Bereich der Funktionskomponente herrschenden Druck hinzu- oder abgeschaltet wird. Hierzu kann vorzugsweise ein Drucksensor vorgesehen sein, der den Druck in dem Bereich der Funktionskomponente und insbesondere innerhalb der Funktionskomponente, innerhalb der Druckspeicherkammer oder in der dazwischen liegenden Leitung misst.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1: eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente eines erfindungsgemäßen Systems.
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Die 1 zeigt die wesentlichen Elemente einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems als Teil eines Kraftfahrzeugs. Das System umfasst einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Ansaugtrakt. Der Ansaugtrakt umfasst ein Saugrohr 12 mit einer Drosselklappe 14. Die Umströmung der Drosselklappe 14 durch dem Verbrennungsmotor 10 über das Saugrohr 12 zugeführte Luft bzw. ein Luft-Kraftstoff-Gemisch erzeugt einen Druckabfall, dessen Höhe von der Stellung der Drosselklappe 14 abhängt. Je weiter die Drosselklappe 14 geschlossen ist, desto höher ist der Druckabfall über dieser.
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Der Druckabfall ist ab einer bestimmten Schließstellung der Drosselklappe 14 so hoch, dass der sich einstellende Druck unterhalb eines Referenzdrucks (vorliegend der atmosphärische Druck) in einer pneumatischen Funktionskomponente, bei der er sich um einen pneumatischen Bremskraftverstärker 16 handelt, liegt. Der Druck hinter der Drosselklappe 14 stellt somit einen Unterdruck im Verhältnis zu dem Referenzdruck dar.
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Dieser Unterdruck kann für den Betrieb des Bremskraftverstärkers 16 verwendet werden, wobei zwischen dem Saugrohr 12 und dem Bremskraftverstärker 16 eine Druckspeicherkammer 18 zwischengeschaltet ist. Hierzu ist die Druckspeicherkammer 18, die in einen Strukturhohlraum eines Längsträgers 20 der Karosserie des Kraftfahrzeugs integriert ist, mit dem Saugrohr 12 über eine Leitung 22 verbunden, in die ein (erstes) Rückschlagventil 24 integriert ist. Auch in die die Druckspeicherkammer 18 mit dem Bremskraftverstärker 16 verbindende Leitung 26 ist ein (zweites) Rückschlagventil 28 integriert. Von dem Saugrohr 12 kann sowohl die Druckspeicherkammer 18 als auch – über die Druckspeicherkammer 18 – der Bremskraftverstärker 16 evakuiert werden.
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Bei einem Betrieb des Bremskraftverstärkers 16, d. h. bei einer durch ein Bremspedal (nicht dargestellt) initiierten Betätigung wird eine Druckkammer (nicht dargestellt) des Bremskraftverstärkers 16 mit Luft unter atmosphärischem Druck befüllt, wodurch die gewünschte Bremskraftverstärkung erreicht wird. Nach dem Lösen des Bremspedals wird die Verbindung des Bremskraftverstärkers 16 zur Atmosphäre wieder geschlossen und die zuvor mit atmosphärischem Druck gefüllte Druckkammer des Bremskraftverstärkers 16 wird evakuiert, um bei einer erneuten Betätigung des Bremspedals wieder die gewünschte Bremskraftverstärkung zu erreichen. Sofern das Druckniveau innerhalb der Druckspeicherkammer 18 niedrig genug ist, erfolgt die Evakuierung über die Druckspeicherkammer 18 und zwar unabhängig davon, ob in dem Saugrohr 12 in dem Bereich hinter der Drosselklappe 14 gerade ein Unterdruck oder ein Überdruck herrscht. Bei einem Überdruck verschließt das erste Rückschlagventil 24 nämlich die Leitung 22 zwischen dem Saugrohr 12 und der Druckspeicherkammer 18. Über die Druckspeicherkammer 18 wird somit auch dann ein Betrieb des Bremskraftverstärkers 16 durch von dem Verbrennungsmotor 10 erzeugten Unterdruck ermöglicht, wenn zum jeweiligen Zeitpunkt in dem Saugrohr 12 kein ausreichender Unterdruck anliegt. Andersherum kann durch die Druckspeicherkammer 18 auch dann ein gegebenenfalls im Saugrohr 12 anliegender Unterdruck ausgenutzt, d. h. gespeichert werden, wenn dieser vom Bremskraftverstärker 16 gerade nicht angefordert wird. In diesem Fall wird die Druckspeicherkammer 18 einfach weiter evakuiert.
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Von aufgeladenen und direkteinspritzenden Otto- sowie Dieselmotoren wird in der Regel kein Unterdruck in einem für einen sicheren Betrieb des Bremskraftverstärkers 16 ausreichenden Maß zur Verfügung gestellt. Daher umfasst das erfindungsgemäße System noch eine Unterdruckpumpe 30, die elektrisch mittels eines nicht dargestellten Elektromotors angetrieben wird. Die Unterdruckpumpe 30 wird dann zugeschaltet, wenn das Druckniveau in der Druckspeicherkammer 18 zu hoch ist, um einen Betrieb des Bremskraftverstärkers 16 zu ermöglichen. Alternativ kann die Unterdruckpumpe auch mechanisch, beispielsweise direkt oder indirekt von dem Verbrennungsmotor 10 angetrieben werden. Auch eine derart angetriebene Unterdruckpumpe kann schaltbar bzw. bedarfsgeregelt ausgeführt werden, beispielsweise mittels einer Kupplung. Mittels eines Drucksensors 32 wird festgestellt, der in einem Abschnitt einer Leitung 34, die den Bremskraftverstärker 16 mit der Unterdruckpumpe 30 verbindet, integriert ist, wird festgestellt, wann ein Zuschalten der Unterdruckpumpe 30 erforderlich ist. Stellt dieser Drucksensor 32 einen relativ hohen Druck in der Leitung 34 fest, wird die Unterdruckpumpe 30 zugeschaltet und erzeugt einen Unterdruck, um den Bremskraftverstärker 16 in ausreichendem Maß zu evakuieren. Ein drittes Rückschlagventil 36 öffnet dabei selbsttätig aufgrund des dann herrschenden niedrigeren Druckniveaus auf der Eingangsseite der Unterdruckpumpe 30.
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Sobald die Unterdruckpumpe 11 zugeschaltet ist, schließt sich aufgrund des sich auf Seiten des Bremskraftverstärkers 4 einstellenden Unterdrucks das zweite Rückschlagventil 10, wodurch erreicht wird, dass die Unterdruckpumpe 11 nur zur Evakuierung des Bremskraftverstärkers 4 und nicht der Druckspeicherkammer 5 herangezogen wird
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbrennungsmotor
- 12
- Saugrohr
- 14
- Drosselklappe
- 16
- Bremskraftverstärker
- 18
- Druckspeicherkammer
- 20
- Längsträger
- 22
- Leitung
- 24
- Rückschlagventil
- 26
- Leitung
- 28
- Rückschlagventil
- 30
- Unterdruckpumpe
- 32
- Drucksensor
- 34
- Leitung
- 36
- Rückschlagventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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