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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Behälter zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas, welches einem Brennraum der Brennkraftmaschine zugeführt wird, sowie ein zugehöriges Steuerverfahren.
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Im Bestreben, den Kraftstoffverbrauch moderner Kraftfahrzeuge weiter zu reduzieren, kommen zunehmend aufgeladene Brennkraftmaschinen, insbesondere turboaufgeladene Brennkraftmaschinen, zum Einsatz. Durch die Aufladung ist es möglich, Brennkraftmaschinen mit verringertem Hubraum bei gleichzeitig hoher Drehmoment- und Leistungsabgabe bereitzustellen. Insbesondere im unteren und mittleren Lastbereich ergeben sich Verbrauchsvorteile gegenüber Saugmotoren mit größerem Hubraum und vergleichbarer Leistungsabgabe.
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Insbesondere bei turboaufgeladenen Brennkraftmaschinen ist jedoch das verzögerte Ansprechverhalten im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine als nachteilig anzusehen. Dieses, auch als „Turboloch” bezeichnete Phänomen schränkt die Fahrdynamik und den Fahrkomfort des Kraftfahrzeugs ein. Bis zum Aufbau des vollen Ladedrucks ist die der Brennkraftmaschine zugeführte Frischluftmenge und damit auch die Abgasrückführrate deutlich reduziert, was sich nachteilig auf das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine auswirkt.
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Aus den Druckschriften
FR 2 901 846 A1 und
CH 701 760 A1 sind Brennkraftmaschinen mit einem zusätzlichen Druckluftbehälter bekannt, um in bestimmten Betriebszuständen zusätzliche Verbrennungsluft zuzuführen. Zur Versorgung des Druckluftbehälters mit druckbeaufschlagter Luft ist jeweils ein separater Verdichter vorgesehen, welcher von der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Dies führt jedoch zu Nachteilen beim Kraftstoffverbrauch.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
WO 2004/072448 A2 ein Motor mit Lufteinspritzung bekannt, welcher einen separaten Kompressor aufweist, der Luft mit einem Verhältnis von mehr als 15:1 verdichtet. Dabei sind ein Zweitaktzylinder und eine Druckluftleitung zum Einbringen von mittels des Kompressors verdichteter Luft in den Zylinder vorgesehen.
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Schließlich beschreibt die Druckschrift
DE 10 2008 057 544 A1 ein Kraftfahrzeug mit einem Druckspeicher, der zum Aufnehmen von komprimierter Zuluft, die einer Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist, ausgelegt ist. Der Druckspeicher soll als integraler Bestandteil einer Karosserie des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Steuerverfahren bereitzustellen, mittels denen die Effizienz der Brennkraftmaschine weiter verbessert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine sowie ein zugehöriges Steuerverfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 1 weist zumindest einen Brennraum und einen Ansaugkanal zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem mindestens einen Brennraum auf. Die Brennkraftmaschine umfasst ferner einen Behälter zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas, der mit dem Ansaugkanal verbunden ist, um druckbeaufschlagtes Gas in den Ansaugkanal einzuleiten und dem zumindest einen Brennraum zuzuführen. Im Ansaugkanal ist ein ferner ein Verdichter zum Verdichten der dem mindestens einen Brennraum zuzuführenden Verbrennungsluft angeordnet, wobei der Verdichter druckseitig mit dem Behälter gekoppelt ist, um diesen mit druckbeaufschlagtem Gas zu befüllen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist darin zu sehen, bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine den Verdichter im Ansaugkanal zur Befüllung des Behälters mit druckbeaufschlagter Luft zu verwenden. Dazu ist der Verdichter im Ansaugkanal druckseitig mit dem Behälter pneumatisch gekoppelt. Unter der Kopplung in Sinne der Erfindung kann eine unmittelbare Strömungsverbindung über eine entsprechende Leitung (welche nicht zwangsläufig direkt am Verdichter, sondern vielmehr auch im Ansaugkanal stromabwärts des Verdichters angeordnet ist) oder eine pneumatische Verbindung sein, über die der Behälter und der Verdichters in pneumatischer Wirkverbindung stehen. Bei dem Verdichter handelt es sich vorzugsweise um den Verdichter eines Abgasturboladers. Jedoch erstreckt sich die Erfindung auch auf andere Verdichterkonzepte zur Aufladung der Brennkraftmaschine, unabhängig vom Verbrennungskonzept der Brennkraftmaschine (z. B. fremdgezündete Brennkraftmaschine oder selbstzündende Brennkraftmaschinen). Der Verdichter im Ansaugkanal hat daher zwei Funktionen inne. Einerseits dient er der Verdichtung der Ansaugluft der Brennkraftmaschine, um so die Drehmoment- bzw. Leistungsabgabe zu erhöhen. Andererseits dient er auch der Befüllung des Behälters mit druckbeaufschlagter Luft. Somit kann auf einen separaten Verdichter zu Befüllung des Behälters mit Druckluft verzichtet und Kosten gespart werden. insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Abgasturbolader, bei denen der Verdichter nicht mechanisch durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird, kann die Effizienz der Brennkraftmaschine erhöht werden.
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Der Verdichter und der Behälter sind über eine Verbindungsleitung pneumatisch gekoppelt, wobei in der Verbindungsleitung zwischen dem Verdichter und dem Behälter eine Druckübersetzungseinrichtung vorgesehen ist.
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Zur Erhöhung des Druckniveaus im Behälter ist zwischen der Druckseite des Verdichters und dem Behälter eine Druckübersetzungseinrichtung angeordnet sein. Dadurch kann im Behälter ein Druck erzeugt werden, welcher einem Vielfachen des vom Verdichter erzeugten Drucks im Ansaugkanal entspricht. Auf diese Weise ist es möglich, die Menge an im Behälter gespeicherter Luft erheblich zu erhöhen und das Volumen des Behälters zu verkleinern.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 2 ist in der Verbindungsleitung ein steuerbares Ventil angeordnet.
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Mittels des steuerbaren Ventils kann das Befüllen des Behälters bedarfsgerecht gesteuert werden. Insbesondere kann die Befüllung des Behälters in den Betriebspunkten erfolgen, in denen durch den Verdichter mehr Ladedruck erzeugt werden könnte, als zur Darstellung des aktuell geforderten Drehmoments notwendig ist, z. B. im Teillastbereich.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 3 weist der Ansaugkanal zumindest zwei Teilkanäle auf, wobei in zumindest einem der Teilkanäle ein steuerbares Sperrglied zum Variieren des Strömungsquerschnitts angeordnet ist. Der Behälter ist an einer Position stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds mit dem entsprechenden Teilkanal verbunden, um dort druckbeaufschlagtes Gas einzuleiten.
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Der Ansaugkanal verzweigt sich, zumindest abschnittsweise, in zumindest zwei Teilkanäle. Dabei ist zumindest in einem der Teilkanäle ein steuerbares Sperrglied, insbesondere eine steuerbare Klappe, zum Variieren des Strömungsquerschnitts, insbesondere zum vollständigen Schließen des Teilkanals, angeordnet. Dadurch, dass die Zufuhr des im Speicherbehälter gespeicherten Druckgases in den entsprechenden Teilkanal stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds erfolgt, ergeben sich hinsichtlich der Leistungsabgabe, des Ansprechverhaltens und der Abgasemissionen deutliche Vorteile. So kann das steuerbare Sperrglied bei Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas vom Speicherbehälter in den entsprechenden Teilkanal derart angesteuert werden, dass sich der Strömungsquerschnitt am Sperrglied verringert, insbesondere das Sperrglied vollständig oder nahezu vollständig geschlossen wird. Auf diese Weise wird ein Rückströmen der zugeführten Druckluft stromaufwärts des Teilkanals sicher verhindert und gleichzeitig sichergestellt, dass das Druckgas vollständig in den Brennraum strömt. Dadurch ist es möglich, Gas unter hohem Druck und in großer Menge über diesen Teilkanal dem Brennraum zuzuführen, ohne Rückströmverluste zu erleiden. Gleichzeitig kann in dem jeweils anderen Teilkanal, in dem kein Sperrglied angeordnet ist oder in dem zwar ein Sperrglied angeordnet ist, dieses aber geöffnet ist, eine normale Ansaugung von Frischluft ungehindert stattfinden. Wäre beispielsweise das steuerbare Sperrglied im Ansaugtrakt stromaufwärts der Verzweigung des Ansaugkanals in die Teilkanäle angeordnet und würde dieses Sperrglied bei Drucklufteinblasung geschlossen werden um ein Rückströmen der Druckluft stromaufwärts im Ansaugkanal zu vermeiden, so wäre eine normale Ansaugung über den Ansaugkanal versperrt. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen kann also zusätzlich zu der über den Ansaugkanal angesaugten Druckluft (gegebenenfalls verdichtet durch den Turbolader) Druckluft in den Brennraum zugeführt werden. Insbesondere im unteren Lastbereich, wo der Ladedruck einer aufgeladenen Brennkraftmaschine noch sehr gering ist, kann die dem Brennraum zugeführte Frischluftmenge und dadurch die Drehmomenterzeugung der Brennkraftmaschine spürbar gesteigert werden. Dies wirkt sich positiv sowohl auf das Ansprechverhalten der Brennkraftmaschine positiv aus. Durch die erhöhte Menge an zugeführter Frischluftmenge kann in diesen Betriebsbereichen auch eine erheblich größere Menge an Abgas zurück in den Brennraum geleitet werden, was sich positiv auf den Schadstoffausstoß, insbesondere auf die NOx-Produktion auswirkt.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 weist diese eine Abgasrückführeinrichtung mit einer Abgasrückführleitung auf, um Abgase der Brennkraftmaschine in den Ansaugkanal zu leiten. Die Abgasrückführleitung ist dabei derart gestaltet, dass sie an einer Position stromaufwärts des steuerbaren Sperrglieds in den Ansaugkanal mündet.
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Durch die Zufuhr des Abgases stromaufwärts des steuerbaren Sperrglieds in den Ansaugkanal wird gewährleistet, dass gleichzeitig mit der Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas in den Teilkanal eine Rückführung von Abgas in den Ansaugkanal möglich ist. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass bei Zufuhr von Druckgas das Sperrglied im Wesentlichen geschlossen wird und so stromaufwärts des Sperrglieds im Ansaugkanal die Druckverhältnisse in einem Bereich bleiben, in dem Abgasrückführung in den Ansaugkanal möglich ist. Ansonsten würde ein Rückströmen des Druckgases den Druck im Ansaugkanal an der Mündung der Abgasrückführleitung derart erhöhen, dass eine Abgasrückführung nicht möglich ist. Durch diese Ausgestaltung der Brennkraftmaschine kann daher das Abgasverhalten der Brennkraftmaschine trotz Zufuhr von Druckluft in den Ansaugkanal deutlich verbessert werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 handelt es sich bei dem steuerbaren Sperrglied um eine steuerbare Klappe, mit der dem im Teilkanal strömenden Gas eine bestimmte Strömungsrichtung aufgeprägt werden kann.
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Insbesondere bei Dieselmotoren und auch bei Ottomotoren mit Kraftstoffdirekteinspritzung kommen derartige steuerbare Klappen zum Einsatz, um der angesaugten Frischluft eine vorteilhafte Strömungsrichtung bzw. einen bestimmten Drall aufzuprägen (im englischen als „tumble” oder „swirl” bezeichnet). Dies soll die Gemischbildung und den Verbrennungsprozess positiv beeinflussen. Durch die doppelte Funktionalität der steuerbaren Klappe kann dadurch die Anzahl der zu verbauenden Bauteile und damit die Gesamtkosten der Brennkraftmaschine reduziert werden.
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Weiterhin wird ein Verfahren zum Steuern einer Brennkraftmaschine gemäß den vorstehenden Ausführungen beschrieben, die zusätzlich ein Stellorgan zum Einstellen der Leistung des Verdichters aufweist. Gemäß dem Verfahren wird zum Befüllen des Behälters das Stellorgan im Sinne einer Erhöhung der Verdichterleistung gesteuert.
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Bei dem Stellorgan kann es sich beispielsweise um ein Bypass-Ventil (sogenanntes „Waste-Gate”) handeln. Gemäß dem Verfahren wird der Behälter vorzugsweise in Betriebspunkten der Brennkraftmaschine befüllt, in denen zur Erzeugung des von der Brennkraftmaschine geforderten Drehmoments nicht die in diesem Betriebspunkt maximal mögliche Verdichterleistung erforderlich ist, als insbesondere im Teillastbereich. Durch Erhöhung der Verdichterleistung wird zwar der Ladedruck erhöht, jedoch wird ein Teil des druckbeaufschlagten Gases zu Befüllung des Behälters verwendet und nicht den Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt. Somit kann der Behälter sehr effizient befüllt werden, ohne, dass es den Fahrkomfort einschränkt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügte Figur näher erläutert.
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In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel einer Brennkraftmaschine 1 zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) schematisch dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader 2. Jedoch ist die Erfindung nicht auf ein spezielles Aufladungskonzept begrenzt und ist sowohl auf selbstzündende und fremdgezündete Brennkraftmaschinen gleichermaßen anwendbar. Bei dem Verdichter könnte es sich beispielsweise auch um einen mechanischen Verdichter (Kompressor) handeln. Die Brennkraftmaschine könnte beispielsweise ein Otto- oder ein Dieselmotor sein.
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Die dargestellte Brennkraftmaschine 1 weist mehrere Brennräume 3 auf, in denen die Verbrennung eines zündfähigen Brenngemisches zur Erzeugung eines Antriebsdrehmoments stattfindet. Die Zufuhr des zur Verbrennung notwendigen Brenngases (hauptsächlich Frischluft) erfolgt über einen Ansaugkanal 4, welcher einen einflutigen Abschnitt und einen mehrflutigen Abschnitt aufweist. Im einflutigen Abschnitt befinden sich in Strömungsrichtung (mit Pfeilen dargestellt) der angesaugten Frischluft ein Luftfilter 5, der Verdichter 6 des Abgasturboladers 2, ein Ladeluftkühler 7 und eine Drosselklappe 8. Optional, beispielsweise im Fall eines Ottomotors, ist stromaufwärts der Drosselklappe 8 ein Luftmengensensor 9 (gestrichelt dargestellt) angeordnet. Der Ladeluftkühler 7 kann auch stromabwärts der Drosselklappe 8 angeordnet sein. Stromabwärts der Drosselklappe 8 verzweigt sich der Ansaugkanal 4 in mehrere (mindestens zwei) Teilkanäle 10, 11. In einem der Teilkanäle 10, 11 ist ein steuerbares Sperrglied 12 angeordnet, mit welchem sich der Strömungsquerschnitt beziehungsweise der Öffnungsquerschnitt des jeweiligen Teilkanals 11 variieren lässt. Insbesondere lässt sich mit dem steuerbaren Sperrglied 12 der jeweilige Teilkanal 11 wahlweise vollständig verschließen oder für die Durchströmung freigeben. Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem Sperrglied 12 um eine steuerbare Klappe, mit der sich der jeweilige Teilkanal 11 vollständig verschließen und öffnen lässt. Vorteilhafterweise kann die Klappe derart ausgestaltet sein, dass sie der Gasströmung in dem jeweiligen Teilkanal 11 in Abhängigkeit von ihrem Anstellwinkel eine bestimmte Strömungsrichtung beziehungsweise Turbulenz oder einen bestimmten Drall aufprägt, was sich vorteilhaft für die Gemischbildung und den Verbrennungsprozess in den Brennräumen 3 auswirken kann.
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Jeder Teilkanal 10, 11 ist für sich wiederum mit den Brennräumen 3 verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 1 spaltet sich der Ansaugkanal 4 zunächst in die zwei Teilkanäle 10, 11 auf, wobei nur in einem der Teilkanäle 11 das steuerbare Sperrglied 12 angeordnet ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass sich der Ansaugkanal 4 in mehr als zwei Teilkanäle verzweigt und auch in mehreren Teilkanälen jeweils ein steuerbares Sperrglied angeordnet ist. Jeder Teilkanal ist mit den Brennräumen 3 verbunden.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner einen Abgaskanal 20 auf, welcher mit jedem der Brennräume 3 verbunden ist, um die darin entstehenden Verbrennungsgase abzuführen. In Strömungsrichtung der Verbrennungsgase (durch Pfeile dargestellt) sind in dem Abgaskanal 20 eine Turbine 21 des Abgasturboladers 2, eine Lambdasonde 22 zur Erfassung des Sauerstoffanteils im Abgas und ein Abgasreinigungskatalysator 23 angeordnet. Stromabwärts des Katalysators 23 können im Falle eines Ottomotors noch eine weitere Lambdasonde (nicht dargestellt) und im Falle eines Dieselmotors ein Dieselpartikelfilter (nicht dargestellt) angeordnet sein.
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Dem Abgasturbolader 21 ist ein Stellorgan 50 zugeordnet, mittels dem sich die Leistung des Verdichters (Verdichterleistung) variieren lässt. Bei dem Stellorgan 50 kann es sich beispielsweise ein Bypass-Ventil handeln, mittels dem die durch die Turbine 21 strömende Abgasmenge einstellbar ist. Auch die Regelung über eine variable Turbinen-Geometrie ist möglich. Durch die unmittelbare Kopplung von Turbine 21 und Verdichter 6 kann so die Leistung des Verdichters 6 eingestellt werden.
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Die Brennkraftmaschine 1 verfügt ferner über eine Abgasrückführeinrichtung 24, mittels der die Verbrennungsgase der Brennkraftmaschine 1 vom Abgaskanal 20 in den Ansaugkanal 4 der Brennkraftmaschine 1 zurückgeführt werden können. Dazu weist die Abgasrückführeinrichtung 24 eine Abgasrückführleitung 25 auf, welche den Abgaskanal 20 mit dem Ansaugkanal 4 verbindet, wobei die Abgasrückführleitung 25 an einer Position stromaufwärts des steuerbaren Sperrglieds 12 in den Ansaugkanal 4 bzw. den Teilkanal 10 mündet. Die Abgasrückführeinrichtung 24 weist ein Abgasrückführventil 26 auf, welches in der Abgasrückführleitung 25 angeordnet ist, und mittels dem die Menge an rückgeführtem Abgas eingestellt werden kann.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner einen Behälter 13 zum Speichern von druckbeaufschlagtem Gas auf. Dieser wird im Folgenden kurz als Druckspeicher 13 bezeichnet. An dem Druckspeicher 13 ist ein Drucksensor 14 zur Erfassung des in dem Druckspeicher 13 herrschenden Drucks angeordnet. Der Druckspeicher 13 und der Ansaugkanal 4 sind über eine Verbindungsleitung 18 und ein in der Verbindungsleitung 18 angeordnetes, steuerbares Ventil 19 verbunden. Die Verbindungsleitung 18 mündet dabei in dem Teilkanal 11, in dem das steuerbare Sperrglied 12 angeordnet ist, an einer Position stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds 12. Mittels des steuerbaren Ventils 19 ist die vom Druckspeicher 13 in den Teilkanal 11 zuzuführende Menge an druckbeaufschlagter Luft exakt steuerbar.
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Zur Versorgung des Druckspeichers 13 mit druckbeaufschlagter Frischluft wird der Verdichter 6 des Abgasturboladers 2 verwendet. Dazu weist die Brennkraftmaschine 1 eine Versorgungsleitung 31 auf, welche den Ansaugkanal 4 an einer Position stromabwärts des Verdichters 6 (also druckseitig) mit dem Druckspeicher 13 pneumatisch koppelt. In der Versorgungsleitung 31 ist vorteilhafterweise eine Druckübersetzungseinrichtung (Druckverstärkungseinrichtung) 32 vorgesehen, mittels der eine Druckverstärkung in Richtung des Druckspeichers 13 erreicht werden kann. Dies erlaubt eine deutliche Erhöhung des Drucks im Druckspeicher 13 wodurch das Volumen des Behälters 13 reduziert werden kann. Ferner ermöglicht die Druckübersetzungseinrichtung eine Befüllung des Druckspeichers 13 in einem wesentlich breiteren Betriebsbereich des Verdichters 6. Bei dieser Ausführung mit Druckübersetzungseinrichtung 32 ist der Verdichter 6 über die Verbindungsleitung 31 mit dem niederdruckseitigen Abschnitt der Druckübersetzungseinrichtung gekoppelt.
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Grundsätzlich ist eine Druckübersetzungseinrichtung 32 nicht unbedingt notwendig, jedoch sehr vorteilhaft. Alternativ kann der Druckspeicher 13 auch direkt durch den Verdichter 6 des Abgasturboladers 21 mit Druckluft versorgt werden. In diesem Fall ist in der Verbindungsleitung 31 keine Druckübersetzungseinrichtung 32 vorgesehen und die vom Verdichter 6 komprimierte Ansaugluft strömt direkt über die Verbindungsleitung 31 in den Behälter. Zur Steuerung der Befüllung kann ein steuerbares Ventil 43 in der Verbindungsleitung 31 vorgesehen sein. Ohne Druckübersetzungseinrichtung ist die Befüllung des Druckspeichers 13 jedoch sehr limitiert. Das Druckniveau im Druckspeicher 13 ist deutlich geringer, wodurch das Volumen des Druckspeichers 13 erhöht werden muss, um eine ausreichende Druckluftzufuhr in die Brennräume 3 sicherzustellen. Ferner ist für die Befüllung notwendig, dass das Druckniveau stromabwärts des Verdichters 6 über dem Umgebungsdruck liegt.
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Die Druckübersetzungseinrichtung 32 kann als Freikolbenmaschine ausgebildet sein. Sie weist einen niederdruckseitigen Abschnitt mit einem Niederdruckarbeitsraum 33 und einem Niederdruckkolben 34 auf, welcher in dem Niederdruckarbeitsraum 33 verschieblich gelagert ist. Der Niederdruckarbeitsraum 33 kann über eine erste Entlüftungsleitung 35 und ein darin angeordnetes steuerbares Ventil 36 mit der Umgebung wahlweise verbunden oder von dieser getrennt werden.
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Die Druckübersetzungseinrichtung 32 weist ferner einen hochdruckseitigen Abschnitt mit einem Hochdruckarbeitsraum 37 und einem darin verschiebbar gelagerten Hochdruckkolben 38 auf. Der Hochdruckkolben 38 und der Niederdruckkolben 34 sind über eine gemeinsame Koppelstange 39 fest verbunden. Der Hochdruckkolben 38 bzw. der Hochdruckarbeitsraum 37 weisen eine geringere Querschnittfläche auf als der Niederdruckkolben 34 bzw. der Niederdruckarbeitsraum 33. Der im Niederdruckarbeitsraum 33 herrschende Gasdruck wird gemäß dem Flächenverhältnis des Hochdruckkolbens 35 und des Niederdruckkolbens in einen entsprechend höheren Gasdruck im Hochdruckarbeitsraum 34 übersetzt. Der Hochdruckarbeitsraum 37 ist über eine zweite Entlüftungsleitung 44 und eine darin angeordnetes Rückschlagventil 40 mit der Umgebung verbunden. Ferner ist der Hochdruckarbeitsraum 37 über die Versorgungsleitung 31 und ein darin angeordnetes Rückschlagventil 42 mit dem Druckspeicher 13 verbunden.
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In der Versorgungsleitung 31 ist zwischen der Druckübersetzungseinrichtung 32 und dem Anschluss am Ansaugkanal 4 ein steuerbares Ventil 43 vorgesehen, über welches der Niederdruckarbeitsraum 33 der Druckübersetzungseinrichtung 32 mit dem Ansaugkanal 4 druckseitig des Verdichters 6 wahlweise verbunden oder getrennt werden kann.
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Die Brennkraftmaschine 1 weist ferner eine elektronische Steuervorrichtung 30 auf, welche mit allen steuerbaren Elementen der Brennkraftmaschine 1 zu deren Steuerung elektrisch verbunden ist. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind diese elektrischen Verbindungsleitungen nur für die Elemente der Brennkraftmaschine 1 dargestellt, welche zur Erläuterung der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist die Steuervorrichtung 30 mit dem steuerbaren Ventil 19 in der Verbindungsleitung zwischen dem Druckspeicher 13 und dem Ansaugkanal 4, dem Drucksensor 14 am Druckspeicher 13, dem Sperrglied 12, der Drosselklappe 8, dem Abgasrückführventil 26, der Lambdasonde 22, den steuerbaren Ventilen 36, 43, dem Stellglied 50 und gegebenenfalls mit dem Luftmengensensor 9 elektrisch verbunden. Die Steuervorrichtung 30 ist darüber hinaus mit weiteren, zum Teil nicht dargestellten steuerbaren Stellgliedern und Sensoren der Brennkraftmaschine 1 elektrisch verbunden, um das von der Brennkraftmaschine 1 produzierte Drehmoment und die Abgaszusammensetzung der Brennkraftmaschine 1 zu steuern und wichtige Betriebsparameter und Umgebungsparameter (Temperatur und Druck) zu erfassen. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind jedoch nicht alle steuerbaren Stellglieder und Sensoren in der Figur dargestellt.
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Im Folgenden werden Steuerverfahren für die Brennkraftmaschine erläutert:
Zunächst wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Befüllen des Druckspeichers 13 mit Druckluft beschrieben. Das Steuerverfahren wird durch die in der Steuervorrichtung 30 implementierten Steuerungsfunktionen durchgeführt.
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Vorteilhafterweise erfolgt das Befüllen des Behälters 13 in einem Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 1, in dem eine höhere Verdichterleistung möglich wäre als dies zur Erzeugung des von der Brennkraftmaschine 1 geforderten Drehmoments notwendig ist.
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Das Stellorgan 50 wird nun im Sinne einer Erhöhung der Verdichterleistung gesteuert. Ist das Stellorgan 50 als Bypass-Ventil ausgebildet, so wird es derart betätigt, dass mehr Abgas durch die Turbine 21 des Abgasturboladers 2 strömt. Dadurch wird die Verdichterleistung des Abgasturboladers erhöht.
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Das Ventil 43 wird geöffnet und das Ventil 36 geschlossen. Die vom Verdichter 6 verdichtete Ansaugluft strömt nun teilweise über die Versorgungsleitung 31 in den Niederdruckarbeitsraum 33. Der Niederdruckkolben 34 und der Hochdruckkolben 38 bewegen sich aufgrund der starren Kopplung durch die Kolbenstange 39 gemeinsam in Richtung des Hochdruckarbeitsraums 37 und verdichten die Luft im Hochdruckarbeitsraum 37 bis Kräftegleichgewicht herrscht. Durch das Wirkprinzip der Druckübersetzungseinrichtung 32 ergibt sich ein Druck im Hochdruckarbeitsraum 37, welcher um ein Vielfaches höher ist als im Niederdruckarbeitsraum 33. Die so verdichtete Luft strömt dann über das Rückschlagventil 42 und die Versorgungsleitung 31 in den Druckspeicher 13.
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Nach erfolgter Befüllung wird das Ventil 43 geschlossen und das Ventil 36 geöffnet. Der Hochdruckkolben 38 und der Niederdruckkolben 34 bewegen sich wieder in die Ausgangslage zurück. Sofern die Rückstellung des Hochdruckkolbens 38 nicht selbsttätig erfolgt, kann diese durch die Kraft einer Rückstellfeder (nicht dargestellt) sichergestellt werden. Der Niederdruckarbeitsraum 33 wird dabei entlüftet. Über das Rückschlagventil 40 strömt Umgebungsluft in den Hochdruckraum 37.
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Der Vorgang kann bei Bedarf mehrfach wiederholt werden.
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Auf diese Weise kann der Druckspeicher 13 auf sehr kostengünstige und effiziente Weise mit druckbeaufschlagtem Gas befüllt werden. Ein eigens dafür vorgesehener Verdichter mit entsprechendem Antrieb ist nicht notwendig. Je nach Ausgestaltung der Druckübersetzungseinrichtung 32 können verschiedene Drücke im Druckspeicher 13 eingestellt werden.
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Nun wird ein Steuerungsverfahren zur Zufuhr der im Druckspeicher 13 gespeicherten Druckluft in den Ansaugkanal 4 beschrieben. Auch dieses Steuerverfahren wird durch die in der Steuervorrichtung 30 implementierten Steuerungsfunktionen durchgeführt.
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Insbesondere turboaufgeladene Brennkraftmaschine 1 weisen häufig das Problem auf, dass das Anfahren und das Beschleunigen im unteren Lastbereich nur verzögert erfolgt. Die Ursache liegt systemimmanent in einem verzögerten Aufbau des Ladedrucks. Dies wird häufig vom Fahrzeugführer als unkomfortables und lethargisches Motorverhalten negativ aufgefasst. Ferner ergeben sich in diesen Betriebspunkten und Betriebssituationen, aufgrund der geringen Ansaugluftmenge, Nachteile hinsichtlich des Abgasverhaltens. Insbesondere ist die Menge an rückgeführtem Abgas in diesem Betriebspunkten äußerst begrenzt, was sich negativ auf die Schadstoffemissionen (insbesondere die NOx-Emissionen) auswirkt.
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Zur Vermeidung dieser fahrdynamischen und emissionsbezogenen Nachteile wird Druckluft vom Druckspeicher 13 in den Teilkanal 11 stromabwärts des steuerbaren Sperrglieds 12 eingeleitet. Dazu kann das in der Verbindungsleitung 18 vorgesehene, steuerbare Ventil 19 durch die Steuereinrichtung 30 der Brennkraftmaschine 1 entsprechend angesteuert werden. Während bei einem Dieselmotor sich die Menge an zugeführtem druckbeaufschlagtem Gas weniger auf die Verbrennung in den Brennräumen 3 auswirkt, so reagieren Ottomotoren äußerst sensibel auf eine Veränderung der zugeführten Frischluft. Bei einem Ottomotor kann daher das Ventil 19 derart ausgebildet sein, dass dem Ansaugkanal 4 eine zuvor genau definierte Menge an Frischluft aus dem Druckspeicher 13 zugeführt wird. Die Steuerung des Ventils 19 kann beispielsweise in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert für die zuzuführende Menge an druckbeaufschlagter Luft, dem gemessenen Druck im Druckspeicher 13 und einer vorgegebenen, in der Steuereinrichtung 30 gespeicherten Kennlinie, welche den Durchfluss an Gas über das Ventil 19 in Abhängigkeit vom Druck im Druckspeicher 13, vom Druck im Teilkanal 11 und dem Öffnungsgrad des Ventils 19 darstellt, erfolgen. Ferner ist es möglich das Ventil geregelt zu betreiben, indem die Steuervorrichtung 30 über die Lambdasonde 22 eine Rückkopplung bekommt, wieviel zusätzliche Frischluft vom Druckspeicher 13 den Brennräumen zugeführt worden ist. Auf diese Weise ist auch eine Adaption der Vorsteuerung des Ventils 19 möglich.
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Gemäß dem Verfahren wird bei Zufuhr von druckbeaufschlagtem Gas aus dem Druckspeicher 13 in den Ansaugkanal 4 das steuerbare Sperrglied 12 im Teilkanal 11 derart angesteuert, dass sich der Strömungsquerschnitt im jeweiligen Teilkanal 11 reduziert, insbesondere dass der Teilkanal 11 durch das Sperrglied 12 versperrt wird. Durch das Reduzieren bzw. Versperren des Strömungsquerschnitts im Teilkanal 11 am Sperrglied 12 wird erreicht, dass die zugeführte druckbeaufschlagte Luft nicht im Ansaugkanal 4 stromaufwärts zurückströmt sondern im Wesentlichen vollständig in die Brennräume 3 der Brennkraftmaschine gelangt. Des Weiteren kann die mittels des Verdichters 6 im Ansaugkanal 4 verdichtete Luft über den jeweils anderen Teilkanal 10, welcher kein steuerbares Sperrglied 12 aufweist, weiter ungehindert in die Brennräume 3 strömen, da keine Gegenströmung von druckbeaufschlagter Luft aus dem Druckspeicher 13 dies behindert. Ferner wird dadurch auch der Ladedruckaufbau am Verdichter 6 im Ansaugkanal 4 durch rückströmende Druckluft nicht gestört.
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Durch das Schließen des Sperrglieds 12 bei Zufuhr von Druckluft aus dem Druckspeicher 13 wird ferner verhindert, dass sich die Druckverhältnisse am Einmündungspunkt der Abgasrückführleitung 25 in den Ansaugkanal 4 derart verändern, dass eine Abgasrückführung nicht mehr möglich ist. Mit anderen Worten ermöglicht das Schließen des steuerbaren Sperrglieds 12 bei Zufuhr von Druckluft, dass auch weiterhin eine hohe Menge an Abgas in den Ansaugkanal 4 der Brennkraftmaschine 3 eingeleitet werden kann. Durch die zusätzliche Zufuhr von Frischluft aus dem Druckspeicher 13 ist es ferner möglich, auch in den oben genannten Betriebspunkten eine große Menge an Abgas in den Ansaugkanal 4 rückzuführen ohne die Verbrennung in den Brennräumen 3 nachteilig zu beeinflussen. Dadurch kann trotz der Erzeugung eines hohen Drehmoments in den oben genannten, kritischen Betriebspunkten der Schadstoffausstoß reduziert werden.
