DE102012104355B4

DE102012104355B4 - Verfahren zur Aufladung einer Brennkraftmaschine und Aufladevorrichtung dafür

Info

Publication number: DE102012104355B4
Application number: DE102012104355.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Stoeber Christian Dipl-Ing (fh) De
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2012-05-21
Publication date: 2018-08-02
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: DE102012104355A1; WO2013174811A1

Abstract

Verfahren der Aufladung einer Brennkraftmaschine (1) mittels eines von der Brennkraftmaschine (1) über ein insbesondere stufenlos veränderbares Getriebe (7, 8, 25) angetriebenen Verdichters (19), dessen bereitstellbarer Massenstrom an Verbrennungsluft unabhängig von dem von der Brennkraftmaschine (1) benötigten Massenstrom veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitstellbare Massenstrom höher als der benötigte Massenstrom eingestellt wird und mittels eines Drosselorgans (21) stromaufwärts des Verdichters (19) der vom Verdichter (19) gelieferte Massenstrom an den von der Brennkraftmaschine (1) im stätionären Betriebszustand benötigten Massenstrom angeglichen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der Aufladung einer Brennkraftmaschine mittels eines von der Brennkraftmaschine über ein insbesondere stufenlos veränderbares Getriebe angetriebenen Verdichters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einer Steuervorrichtung und einem von der Brennkraftmaschine über ein Getriebe antreibbaren Verdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Anhand der DE 10 2004 018 420 A1 ist ein Antrieb für Nebenaggregate einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Verdichter, Klimakompressoren, Kühlwasserpumpen und dergleichen bekannt geworden. Der bekannte Antrieb dient beispielsweise dazu, einen mechanischen Lader drehzahlgeregelt anzutreiben und beruht auf der Erkenntnis, dass ein Abgasturbolader in Verbindung mit einem kleinvolumigen Otto- oder Dieselmotor problematisch zu betreiben ist, da ein zu geringes Energieangebot aufgrund zu kleiner Abgasmassenströme eine wirkungsvolle Aufladung des Motors bei niedrigen Motordrehzahlen verhindert.
Fahrzeuge mit aufgeladenen, insbesondere solche mit aufgeladenen kleinvolumigen Brennkraftmaschine haben eine deutliche Anfahrschwäche, weshalb es nach dem genannten Stand der Technik vorgeschlagen wird, einen mechanischen Verdichter mittels beispielsweise eines Überlagerungsgetriebes und einer drehzahlregelbaren elektrischen Maschine anzutreiben, wobei die Drehzahl des mechanischen Verdichters unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine eingestellt werden kann.
Anhand der DE 10 2009 002 258 A1 ist ein ähnlicher Antrieb für Nebenaggregate einer Brennkraftmaschine bekannt geworden, bei dem als Verdichter ein Abgasturbolader verwendet wird, dessen Verdichterläufer mittels einer elektrischen Maschine unterstützend angetrieben werden kann.
Anhand der WO 2007/072196 A2 ist ein Auflagesystem für eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, welches in zu der aus der DE 10 2004 018 420 A1 bekannten Vorrichtung ähnlichen Weise einen mechanisch angetriebenen Verdichter verwendet, dessen Verdichterläufer über eine elektrische Maschine angetrieben werden kann und zwar unter Zwischenschaltung eines Überlagerungsgetriebes in der Form eines Planetengetriebes.
Anhand der DE 102 11 166 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einem mechanisch angetriebenen Verdichter bekannt geworden, der stromaufwärts des Einlaufs für Verbrennungsluft des Verdichters ein Drosselorgan in der Form einer Drosselklappe aufweist, dem stromabwärts eines nachgeschalteten Ladeluftkühlers vor dem Saugrohrsystem der Brennkraftmaschine eine weitere Drosselklappe nachgeschaltet ist. Bei dem aus dieser Druckschrift bekannt gewordenen Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Verbrennungsmotor mit acht Zylindern in V-Anordnung mit voll variablem Ventiltrieb. Ein solcher Verbrennungsmotor ist regelmäßig nicht kleinvolumig ausgelegt, wie es sich. beispielsweise aufgrund Bestrebungen des sogenannten Downsizings ergibt und besitzt daher weder das Problem einer ausgeprägten Anfahrschwäche, noch das Problem, dass der Fahrer einen trägen Momentenaufbau feststellt, wenn er vom Verbrennungsmotor beispielsweise aus einem stätionären Betrieb bei der Fahrt mit gleich bleibender Geschwindigkeit zur Beschleunigung des Fahrzeugs ein höheres Motormoment fordert, indem er das Gaspedal entsprechend betätigt.
Zudem sind anhand der DE 10 2004 025 929 A1 , DE 41 19 143 A1 und der DE 10 2004 021 387 A1 weitere Vorrichtungen bekannt.
Die anhand der oben genannten Druckschriften bekannt gewordene Technologie wendet sich zwar dem Problem zu, dass kleinvolumige Verbrennungsmotoren bei niedrigen Drehzahlen eine Anfahrschwäche haben aufgrund des nur geringen von dem Verbrennungsmotor bereitgestellten Motormoments, sie beschäftigt sich aber nicht mit der Frage, wie generell die Antwortzeit des Verbrennungsmotors zur Bereitstellung eines höheren Motormoments auf einen Wunsch des Fahrers des Fahrzeugs nach einem verglichen mit dem im betrachteten Augenblick des Verbrennungsmotors abgegebenen Motormoment höheren Motormoment verringert werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der Aufladung einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welches es ermöglicht, in sehr kurzer Zeit, gleichsam gleichzeitig mit der Feststellung des erhöhten Motorwunschmoments, das gewünschte erhöhte Motormoment bereitzustellen. Auch soll eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine geschaffen werden, mit der die Antwortzeit des Verbrennungsmotors auf einen entsprechenden Fahrerwunsch nach höherem Motormoment verringert werden kann.
Die Erfindung weist zur Lösung der Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Zudem weist die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich der Aufladevorrichtung die im Anspruch 9 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung sieht eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine vor, mit einer Steuervorrichtung und einem von der Brennkraftmaschine über ein Getriebe antreibbaren Verdichter, wobei das Getriebe eine mit einer Antriebswelle des Verdichters wirkverbundene Abtriebswelle und eine mit der Brennkraftmaschine wirkverbundene Antriebswelle besitzt und die Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle des Getriebes veränderbar ist, und der Verdichter einen Einlauf für Verbrennungsluft besitzt, wobei die Vorrichtung so ausgebildet ist, dass der vom Verdichter bereitstellbare Massenstrom an Verbrennungsluft größer ist als der von der Brennkraftmaschine im Teillastbereich benötigte Massenstrom an Verbrennungsluft und stromaufwärts des Einlaufs des Verdichters ein Drosselorgan vorgesehen ist, wobei die Steuervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
Die Erfindung schafft mit anderen Worten eine Aufladevorrichtung für eine Brennkraftmaschine, die im ungedrosselten Zustand einen Massenstrom an Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine bereitstellen kann, der zumindest im Teillastbereich größer ist als der von der Brennkraftmaschine benötigte Massenstrom an Verbrennungsluft, so dass zumindest im Teillastbereich ein Überschuss an Luftmassenstrom von der Vorrichtung im ungedrosselten Zustand bereitstellbar wäre, der von dem stromaufwärts des Einlaufs des Verdichters vorgesehenen Drosselorgan verringert wird. Über das Drosselorgan kann also der vom Verdichter tatsächlich geförderte Luftmassenstrom auf den von der Brennkraftmaschine im betrachteten Augenblick benötigten Luftmassenstrom gedrosselt, also verringert werden, der Verdichter kann aber so betrieben werden, dass er einen ungedrosselten Luftmassenstrom bereitstellen kann, der veränderbar größer ist als der von der Brennkraftmaschine im betrachteten Augenblick benötigte Luftmassenstrom.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung ist daher so ausgebildet, dass der vom Verdichter bereitstellbare Luftmassenstrom größer ist als der von der Brennkraftmaschine in ihrem jeweiligen Betriebspunkt benötigte Luftmassenstrom. Möchte der Fahrer des Fahrzeugs, welches mit einer Brennkraftmaschine und der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung ausgestattet ist, das Fahrzeug vom stationären Betrieb mit beispielsweise gleich bleibender Fahrt auf einer Fahrbahn beschleunigen und betätigt er hierzu das Gaspedal oder Fahrpedal des Fahrzeugs, so kann, beispielsweise über die Steuervorrichtung, das Drosselorgan so angesteuert werden, dass ein höherer Luftmassenstrom als der Luftmassenstrom vor der Betätigung des Gaspedals vom Verdichter geliefert wird, ohne dass es hierzu erforderlich wäre, den vom Verdichter bereitstellbaren Luftmassenstrom über beispielsweise eine Veränderung der Übersetzung des Getriebes und/oder eine Erhöhung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters zu steigern.
Bereits vor der Anforderung des höheren Motormoments durch den Fahrer ist der Verdichter beispielsweise von der Steuervorrichtung so angesteuert worden, dass er dazu in der Lage gewesen wäre, einen aufgrund des erhöhten Fahrerwunschmoments benötigten Luftmassenstrom an die Brennkraftmaschine zu liefern. Betätigt der Fahrer dann im stationären Betrieb der Brennkraftmaschine das Gaspedal und fordert ein höheres Motormoment der Brennkraftmaschine an, so steht der dafür erforderliche erhöhte Luftmassenstrom gleichsam zeitgleich zusammen mit der Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer zur Verfügung und die Brennkraftmaschine reagiert mit einer unmittelbaren deutlichen Zunahme des von ihr abgegebenen Motormoments, ohne dass zunächst der vom Verdichter bereitstellbare Luftmassenstrom erhöht werden muss und hierzu die Drehzahl des Verdichters erhöht werden muss.
Die zeitliche Verzögerung zwischen der Feststellung des erhöhten Fahrerwunschmoments an die Brennkraftmaschine und die Bereitstellung des gewünschten höheren Motormoments durch die Brennkraftmaschine hängt in guter Näherung nur mehr vom Zeitbedarf für die Betätigung des Drosselorgans und der Geschwindigkeit der Luftsäule auf ihrem Weg vom dem Verdichter vorgeschalteten Drosselorgan und gegebenenfalls einer Luftfiltervorrichtung in den Brennraum der Brennkraftmaschine ab. Durch die Anordnung des Drosselorgans in Strömungsrichtung vor dem Verdichter wird eine bedarfsgerechte Luftmasse eingestellt und verdichtet, ohne dass hierzu ein Bypass oder dergleichen erforderlich wäre. Dadurch, dass es die Vorrichtung ermöglicht, dass der vom Verdichter bereitstellbare Massenstrom an Verbrennungsluft größer ist als der von der Brennkraftmaschine zumindest im Teillastbereich tatsächlich benötigte Massenstrom, kann eine Vorhaltestrategie für einen nahezu verzögerungsfreien Aufbau an Ladedruck bei Lasterhöhung geschaffen werden.
Der Teillastbereich der Brennkraftmaschine ist dabei der Leistungsbereich der Brennkraftmaschine unterhalb ihrer Nennleistung, die auch die mittels der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung erzielbare Nennleistung der Brennkraftmaschine sein kann. Wenn die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung beispielsweise zur Leistungssteigerung an einem kleinvolumigen Ottomotor verwendet wird, so lässt sich damit nicht nur die Nennleistung des Ottomotors deutlich steigern, sondern auch sein Ansprechverhalten auf eine Betätigung des Gaspedals durch den Fahrer hin deutlich verbessern, er liefert wesentlich schneller ein höheres Motormoment. Die Zeit, die zwischen der Anforderung eines erhöhten Motormoments und dem von der Brennkraftmaschine tatsächlich dann bereitgestellten erhöhten Motormoment vergeht, kann durch die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung verglichen mit bekannten Aufladevorrichtungen deutlich verringert werden und zwar innerhalb des gesamten Betriebsbereichs der Brennkraftmaschine bis zur Volllastlinie hin. Damit wird das eingangs erwähnte Ziel erreicht.
Obwohl die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung, wie es vorstehend ausgeführt wurde, so ausgebildet ist, dass der vom Verdichter bereitstellbare Massenstrom an Verbrennungsluft in jedem betrachteten Betriebspunkt der Brennkraftmaschine bis zur Volllastlinie hin größer eingestellt werden kann, als der von der Brennkraftmaschine tatsächlich benötigte Massenstrom an Verbrennungsluft, ist die Vorrichtung auch so ausgebildet, dass sie eine weitgehende Angleichung des vom Verdichter tatsächlich gelieferten Massenstroms an den von der Brennkraftmaschine im weitgehend stationären und auch instationären Betriebszustand zumindest im Teillastbereich benötigten Massenstrom ermöglicht.
Die Differenz zwischen dem vom Verdichter im betrachteten Augenblick im ungedrosselten Zustand bereitstellbaren Luftmassenstrom und dem tatsächlich von der Brennkraftmaschine benötigten Luftmassenstrom kann heben der Beeinflussung durch die Drosselung beispielsweise durch die Steuervorrichtung auch dadurch verändert werden, dass das Übersetzungsverhältnis des funktional zwischen der Brennkraftmaschine und dem Verdichter angeordneten Getriebes verändert wird und dadurch die Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters, die beispielsweise auch mit der Abtriebswelle des Getriebes identisch sein kann, verändert wird. Eine solche Ausbildung ist beispielsweise bei während einer vorbestimmten Zeitdauer erkannter Konstantfahrt möglich, wodurch Drosselverluste durch das Drosselorgan verringert werden können.
Nach einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es auch vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Angleichung des gelieferten Massenstroms an den benötigten Massenstrom mittels einer Veränderung eines vom Drosselorgan freigebbaren, zum Durchlass von Verbrennungsluft in den Einlauf des Verdichters vorgesehenen Strömungsquerschnitts ausgebildet ist. Bei dem Drosselorgan kann es sich um ein funktional den Querschnitt des Einlaufs des Verdichters variabel veränderndes Bauteil handeln, beispielsweise um eine Drosselklappe. Durch das Drosselorgan wird der mit Umgebungsdruck in den Einlauf des Verdichters strömende Luftmassenstrom aus der Umgebung, beispielsweise einer Luftfiltereinrichtung, verändert.
Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung auch vorgesehen, dass die Steuervorrichtung zur Beeinflussung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters ausgebildet ist derart, dass der ungedrosselte bereitstellbare Massenstrom des Verdichters vorbestimmbar variabel zumindest gleich dem im betrachteten Augenblick benötigten Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine ist. Dies umfasst auch, dass der ungedrosselte bereitstellbare Massenstrom durch eine Änderung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters größer eingestellt werden kann als der im betrachteten Augenblick benötigte Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine. Der tatsächlich gelieferte Luftmassenstrom wird dann durch das Drosselorgan auf den benötigten Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine angeglichen.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung besitzt nach einer Weiterbildung ein als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe ausgebildetes stufenloses variables Getriebe, an dessen Abtriebswelle beispielsweise auch gleich der Läufer des Radialverdichters angeordnet werden kann. Nach einer vorteilhaften Alternative hierzu kann das nach der Erfindung vorgesehene Getriebe als Drehzahlüberlagerungsgetriebe in der Form eines Planetengetriebes ausgebildet sein, dessen Sonnenradwelle mit der Antriebswelle des Verdichters gekoppelt ist. Der Läufer des Verdichters kann auch direkt an der Sonnenradwelle drehfest angeordnet sein.
Bei einer solchen Ausführung der Erfindung mit einem Planetengetriebe kann auch eine mit einem Planetenträger des Drehzahlüberlagerungsgetriebes wirkverbundene elektrische Maschine vorgesehen sein, die zum Antrieb der und durch die Sonnenradwelle ausgebildet ist. Damit kann die elektrische Maschine sowohl als Antriebsmotor zum Antrieb der Antriebswelle des Verdichters, also beispielsweise der Sonnenradwelle des Überlagerungsgetriebes dienen als auch dazu, um im Generatorbetrieb elektrischen Strom bereitzustellen, der zur Speisung einer Fahrzeugbatterie dient und/oder als Energieträger für Fahrzeugbauteile, wie beispielsweise eine elektrisch betriebene Klimaanlage oder dergleichen, auch kann ein mit dem Triebstrang des Fahrzeugs gekoppelter Elektromotor damit gespeist werden, so dass die im Generatorbetrieb rekuperierte Energie direkt zum Vortrieb des Fahrzeugs genutzt werden kann. Damit ist eine elektromotorische Overboost-Funktionalität möglich, zusätzlich zu einer nachfolgend noch erläuterten verbrennungsmotorischen Overboost-Funktion.
Die Erfindung schafft ein Verfahren der Aufladung einer Brennkraftmaschine mittels eines von der Brennkraftmaschine über ein insbesondere stufenlos veränderbares Getriebe angetriebenen Verdichters, dessen bereitstellbarer Massenstrom an Verbrennungsluft unabhängig von dem von der Brennkraftmaschine benötigten Massenstrom veränderbar ist, wobei nach dem Verfahren der bereitstellbare Massenstrom vorbestimmbar höher als der benötigte Massenstrom eingestellt wird und mittels eines Drosselorgans stromaufwärts des Verdichters der vom Verdichter gelieferte Massenstrom an den von der Brennkraftmaschine im weitgehend stationären Betriebszustand benötigten Massenstrom zumindest weitgehend angeglichen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst auch, dass der vom Verdichter bereitstellbare Massenstrom im Übergangszustand des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Motormoments auf ein höheres Motormoment, also beispielsweise bei fortwährender Beschleunigung des Fahrzeugs mit steigendem Motormoment, im Abstand zu dem von der Brennkraftmaschine bei im Dauerbetrieb maximal möglicher Beschleunigung aktuell benötigten Luftmassenstrom gehalten wird, also der bereitstellbare Luftmassenstrom dem benötigten Luftmassenstrom ständig im Abstand vorauseilt. Verbunden mit einer entsprechenden Zufuhr von Kraftstoff zur Brennkraftmaschine kann auf diese Weise eine deutlich größere Leistungssteigerung erzielt werden, die beispielsweise vom Fahrer des Fahrzeugs kurzfristig explizit abrufbar vorgesehen sein kann und einer verbrennungsmotorischen Overboost-Funktion entspricht.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, dass ein vom Drosselorgan freigebbarer, zum Durchlass von Verbrennungsluft in den Einlauf des Verdichters vorgesehener Strömungsquerschnitt weitgehend zeitgleich mit einer steigenden Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine vergrößert wird derart, dass der vom Verdichter an die Brennkraftmaschine gelieferte Massenstrom weitgehend zeitgleich mit der Momentenanforderung erhöht wird.
Der Verdichter arbeitet in diesem Fall mit einer Drehzahl, die zu einem ungedrosselten bereitstellbaren Luftmassenstrom führt, der größer ist als der von der Brennkraftmaschine im betrachteten Augenblick benötigte Luftmassenstrom. Sendet der Fahrer nun eine Momentenanforderung ab, indem er beispielsweise das Gaspedal des Fahrzeugs stärker betätigt, so wird dies von der Steuervorrichtung, die beispielsweise in die Motorsteuerung implementiert werden kann, festgestellt und die Steuervorrichtung steuert gleichsam zeitgleich mit der festgestellten Momentenanforderung das Drosselorgan so an, dass der Strömungsquerschnitt zum Luftdurchlass zum Einlauf des Verdichters hin vergrößert wird und damit gleichsam zeitgleich mit der Momentenanforderung ein erhöhter Luftmassenstrom für die Brennkraftmaschine zur Verfügung steht, ohne dass vorher die Drehzahl der Verdichterwelle bzw. des Läufers des Radialverdichters erhöht werden muss, um eine dem erhöhten Luftmassenstrom entsprechende Drehzahl einzunehmen. Die Brennkraftmaschine reagiert auf die Momentenanforderung durch den Fahrer gleichsam verzögerungsfrei, da der Verdichter nicht erst beschleunigt werden muss, wie dies bei einem mit Abgas angetriebenen Verdichter oder auch einem elektrisch unterstützten Verdichter der Fall ist, der erst nach der Momentenanforderung auf ein erhöhtes Drehzahlniveau beschleunigt werden muss.
Bei dem Verdichter handelt es sich nach einer Weiterbildung der Erfindung um einen Radialverdichter, dessen bereitstellbarer Massenstrom durch eine Veränderung der Drehzahl einer Antriebswelle eines Laufrads des Radialverdichters veränderbar ist und die Drehzahl unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine verändert wird mittels einer mit der Antriebswelle über das Getriebe wirkverbundenen beispielsweise elektrischen Maschine und die Drehzahl der Antriebswelle so eingestellt wird, dass der bereitstellbare ungedrosselte Massenstrom höher ist als der benötigte Massenstrom der Brennkraftmaschine.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise über einen formschlüssigen Eingriff mit dem Planetenträger oder Steg des vorstehend erwähnten Überlagerungsgetriebes die Drehzahl der Sonnenradwelle, die mit der Antriebswelle des Läufers des Verdichters gekoppelt ist, oder auf der der Läufer des Verdichters direkt angeordnet ist, so modifizieren, dass der ungedrosselte bereitstellbare Luftmassenstrom des Verdichters im betrachteten Augenblick höher ist als der benötigte Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine. Auf diese Weise kann beispielsweise dann, wenn die Brennkraftmaschine mit niedrigen Drehzahlen arbeitet, über die elektrische Maschine Antriebsenergie auf den Läufer des Verdichters zu dessen Beschleunigung auf die benötigte Drehzahl hin übertragen werden, so dass dieser mit einer Drehzahl arbeitet, die dem vorstehend erwähnten ungedrosselten bereitstellbaren Luftmassenstrom entspricht.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das von der Brennkraftmaschine bereitgestellte Abtriebsmoment oder Motormoment mittels einer Veränderung der Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters und/oder eines Öffnungswinkels einer Drosselklappe des Drosselorgans verändert wird. Damit stehen zur Beeinflussung des Motormoments der Brennkraftmaschine zwei unabhängig voneinander veränderbare Freiheitsgrade zur Verfügung, nämlich einerseits die Drehzahl des Läufers des Verdichters und andererseits der Drosselklappenwinkel, so dass damit auch entsprechende, auf die jeweilige Brennkraftmaschine abgestellte Kennfelder geschaffen werden können. Auf diese Weise ist eine Beeinflussung des Motormoments beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl des Verdichters möglich, der vom Verdichter bereitstellbare ungedrosselte Luftmassenstrom kann über die Drehzahl des Verdichters weitgehend frei verändert werden. Damit ist auch die Möglichkeit gegeben, dem Fahrer unterschiedliche Kennfelder zur Verfügung zu stellen, zwischen denen er wählen kann und in deren Abhängigkeit die Reaktionszeit der Brennkraftmaschine auf ein geändertes Motorwunschmoment hin kürzer oder länger gewählt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nach einer Weiterbildung auch vor, dass sich die elektrische Maschine im Eingriff mit einem Planetenträger eines Überlagerungsgetriebes befindet und beispielsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine als Elektromotor zur Beschleunigung der Antriebswelle des Verdichters oder als Generator verwendet wird, also die ansonsten erforderliche Lichtmaschine zur Speisung des Bordnetzes des Fahrzeugs weggelassen werden kann, da deren Funktion von der generatorisch betriebenen elektrischen Maschine übernommen wird.
Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der vom Verdichter bereitstellbare Luftmassenstrom in Abhängigkeit von während mindestens einer vorbestimmten Zeitdauer erfassten Werten des von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Motormoments und dem von einem Benutzer der Brennkraftmaschine angeforderten Motormoment ermittelt wird und eine zugehörige Drehzahl der Antriebswelle des Verdichters eingestellt wird. Durch die Erfassung des während einer vorbestimmten Zeitdauer von der Brennkraftmaschine tatsächlich bereitgestellten Motormoments und dem vom Benutzer während dieser Zeitdauer angeforderten Motormoment kann ein Profil des Fahrverhaltens des Benutzers ermittelt werden beispielsweise dergestalt, dass der Benutzer häufig große Momentensprünge wünscht und demgemäß der Abstand zwischen dem vom Verdichter bereitstellbaren Luftmassenstrom zu dem von der Brennkraftmaschine aktuell tatsächlich benötigten Luftmassenstrom größer eingestellt wird als der entsprechende Abstand bei einem Fahrer, der weniger große Momentensprünge während der vorbestimmten Zeitdauer gefordert hat. Damit ist es möglich, dem Fahrverhalten des Benutzers Rechnung zu tragen und ein adaptives Verhalten der Brennkraftmaschine zu implementieren hinsichtlich des vom Benutzer erwarteten Verhalten der Brennkraftmaschine bei ihrer Momentenabgabe auf eine Momentenanforderung durch den Benutzer hin.
In ähnlicher Weise kann die Geschwindigkeit der Veränderung des von der Drosselklappe freigegebenen Strömungsquerschnitts in Abhängigkeit von während mindestens einer vorbestimmten Zeitdauer erfassten Werten des von der Brennkraftmaschine bereitgestellten Motormoments und dem von einem Benutzer der Brennkraftmaschine angeforderten Motormoment ermittelt werden und ein Drosselklappenöffnungswinkel in Abhängigkeit der ermittelten Werte verändert werden.
Auf diese Weise ist es möglich, dem Verhalten des Fahrers dahingehend Rechnung zu tragen, dass erfasst wird, wie schnell er das Gaspedal betätigt, wenn er ein höheres Motormoment fordert und demgemäß durch eine entsprechende Veränderung des vom Verdichter bereitstellbaren Luftmassenstroms in Richtung zu einem höheren bereitstellbaren Luftmassenstrom hin zu reagieren, so dass dann, wenn vom Fahrer ein höheres Motormoment gefordert wird, gleichsam zeitgleich ein deutlich höherer Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine zugeführt wird - und demgemäß sofort ein deutlich höheres Motormoment zur Verfügung steht - als dies bei einem Fahrer der Fall ist, der Stellwinkelveränderungen des Gaspedals weniger schnell durchführt.
Schließlich ist es nach der Erfindung auch vorgesehen, dass der der Brennkraftmaschine zugeführte Massenstrom an Verbrennungsluft mittels nur eines einzigen stromaufwärts des Verdichters angeordneten Drosselorgans - beispielweise einer Drosselklappe - verändert wird, so dass im Gegensatz zu der eingangs erwähnten Brennkraftmaschine ein zusätzliches Drosselorgan vor dem Saugrohrsystem der Brennkraftmaschine nicht notwendig ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

1 eine schematische Darstellung einer Aufladevorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Brennkraftmaschine;
2 eine schematische Darstellung ähnlich derjenigen nach 1, die eine zweite Ausführungsform der Aufladevorrichtung zeigt;
3 ein Diagramm der Motorlast aufgetragen über der Zeit, die vier Lastveränderungen der Brennkraftmaschine aufgrund jeweiliger Momentenanforderungen zeigt und zwar im Vergleich mit der Aufladevorrichtung bzw. dem Aufladeverfahren nach der Erfindung und bekannter Aufladung bzw. deren Verfahren;
4 ein Diagramm des Motormoments aufgetragen über der relativen Drehzahl bei der Aufladung der jeweils selben Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader im stationären und instationären Betrieb und der erfindungsgemäßen Aufladung;
5. ein Diagramm ähnlich demjenigen nach 4, welches das Motordrehmomentverhalten verschiedener Aufladungskonzepte und der erfindungsgemäßen Aufladung zeigt;
6 ein Diagramm, welches die Drehzahl des Verdichterläufers und des Stegs aufgetragen über der relativen Drehzahl der Brennkraftmaschine zeigt;
7 ein Diagramm der Leistung der Eingangswelle, des Stegs und der Verdichterwelle bei Teillast und Volllast mit elektromotorischer Overboost Funktion;
8 ein Diagramm ähnlich demjenigen nach 7 bei rekuperativer Leistung durch die elektrische Maschine;
9 ein Diagramm der relativen Drehzahl des Verdichters, des Luftmassenstromverhältnisses und des Luftmassenstroms jeweils aufgetragen über der Zeit; und
10 ein Diagramm des Verhältnisses des möglichen ungedrosselten Luftmassenstroms zum Luftmassenstrombedarfs der Brennkraftmaschine.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Aufladevorrichtung nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der schematisch dargestellten Brennkraftmaschine 1 handelt es sich um eine kleinvolumige Brennkraftmaschine, die mit Fremdzündung arbeitet und beispielsweise ein Hubvolumen von 600 cm³ besitzt.
Die Brennkraftmaschine 1 weist eine schematisch dargestellte Kurbelwelle 2 auf, an der ein Zahnriemenrad 3 drehfest angeordnet ist, welches einen schematisch dargestellten Zahnriemen 4 antreibt, der wiederum ein zweites Zahnriemenrad 5 antreibt, welches drehfest an einer Antriebswelle 6 eines stufenlos veränderlichen Getriebes 7 in der Form eines Kegelscheibenumschlingungsgetriebes 8 angeordnet ist.
Das Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 8 ein antreibendes Kegelscheibenpaar 9 und ein angetriebenes Kegelscheibenpaar 10, welches über eine Kette 11 angetrieben wird.
Die Abtriebswelle 12 des Getriebes 7 ist bei der dargestellten Ausführungsform über lediglich schematisch dargestellte Wälzlager 13 in einem Gehäuse 14 gelagert, welches gleichzeitig das Gehäuse zur Aufnahme des mit der Abtriebswelle 12 wirkverbundenen Verdichterläufers 15 ist. Der Verdichterläufer 15 kann auch einer eigenen Antriebswelle 35 angeordnet sein, die mit der Abtriebswelle 12 drehgekoppelt ist, oder auf der Abtriebswelle 12 direkt angeordnet sein.
Der Gehäuseinnenraum 16, welches den Verdichterläufer 15 aufnimmt, ist von Gehäuseinnenraum 17, welches das Getriebe 7 aufnimmt, über eine Dichtungseinrichtung 18 getrennt, um ein Ansaugen von Schmiermittel aus Gehäuseinnenraum 17 in den Gehäuseinnenraum 16 zu vermeiden.
Der Verdichter 19, der den Verdichterläufer 15 aufweist, besitzt einen Einlauf 20, über den zur Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 vorgesehene Umgebungsluft in den Bereich des Verdichterläufers 15 eintreten kann, um von diesem beispielsweise unter Zwischenschaltung eines nicht näher dargestellten Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine 1 zugeführt werden zu können. Stromaufwärts des Einlaufs 20 ist ein Drosselorgan 21 in der Form einer Drosselklappe vorgesehen, mit dem ein zum Durchtritt von Umgebungsluft in den Verdichterraum 22 vorgesehener Durchlass 23 hinsichtlich des freigegebenen Strömungsquerschnitts verändert werden kann.
Wenn die Brennkraftmaschine 1 in Betrieb ist und sich die Kurbelwelle 2 mit einer bestimmten Drehzahl dreht, wird die Antriebswelle 6 des Getriebes 7 mit einer Drehzahl in Abhängigkeit von Übersetzungsverhältnis zwischen den beiden Zahnriemenrädern 3, 5 gedreht und treibt das Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 8 an, welches wiederum mit stufenlos veränderbarer Übersetzung den Verdichterläufer 15 antreibt. Die Drehzahl des Verdichterläufers 15 kann von einer Steuervorrichtung 24 verändert werden und zwar derart, dass der vom Verdichterläufer 15 bereitstellbare ungedrosselte Luftmassenstrom, den der Verdichter 19 der Brennkraftmaschine zur Verfügung stellen könnte größer ist als der von der Brennkraftmaschine 1 im augenblicklichen Betrieb tatsächlich benötigten Luftmassenstrom. Über eine Veränderung des Strömungsquerschnitts des Durchlasses 23 durch die Steuervorrichtung 24 durch eine entsprechende Betätigung der Drosselklappe 21 kann der vom Verdichter 19 tatsächlich geförderte Luftmassenstrom an den von Verbrennungsmotor 1 benötigten Luftmassenstrom angeglichen werden. Der Verdichter 19 liefert unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 Luftmasse. Die Brennkraftmaschine 1 weist hinsichtlich ihres Schluckvermögens festgelegte, spezifische Kenndaten auf, der Verdichter 19 ist hinsichtlich seines Fördervermögens an Luftmasse unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 frei einstellbar.
2 der Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung, bei der das in 1 dargestellte Kegelscheibenumschlingungsgetriebe 8 durch ein Überlagerungsgetriebe 25 ersetzt wurde.
Die Brennkraftmaschine 1 treibt wiederum über das Zahnriemenrad 3, den Zahnriemen 4 und das zweite Zahnriemenrad 5 die Antriebswelle 6 an, die bei in 2 dargestellten Ausführungsform des Getriebes 7 als Planetengetriebe 26 ein Hohlrad 27 des Planetengetriebes 26 antreibt. Das Hohlrad 27 befindet sich in formschlüssigen Eingriff mit Planeten 28, die an einem Planetenträger oder Steg 29 umlauffähig angeordnet sind.
Der Planetenträger 29 kann über ein Stirnrad 30 von einer elektrischen Maschine 31 angetrieben werden, die gleichzeitig als Generator betrieben werden kann. Der Verdichterläufer 15 ist an einer Sonnenradwelle 32 des Planetengetriebes 26 drehfest angeordnet.
Arbeitet die Brennkraftmaschine 1 mit einer bestimmten Drehzahl, so wird die Antriebswelle 6 entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Riementriebs 33 angetrieben. Über eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine 31, die beispielsweise durch die Steuervorrichtung 24 vorgenommen werden kann, kann die Sonnenradwelle 32 mit dem daran angeordneten Verdichterläufer 15 in eine von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 unabhängige Drehzahl versetzt werden und auf diese Weise der vom Verdichterläufer 15 bereitstellbare Luftmassenstrom unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine 1 eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung 34 ist so ausgebildet, dass der vom Verdichter 19 bereitstellbare Massenstrom an Verbrennungsluft größer ist als der von der Brennkraftmaschine 1 zumindest im Teillastbereich benötigte Massenstrom an Verbrennungsluft. Es bedeutet dies, dass der Verdichter 19 beispielsweise von der Steuervorrichtung 24 einstellbar einen deutlich größeren Luftmassenstrom an Verbrennungsluft bereitstellen könnte, als dies die Brennkraftmaschine 1 im betrachteten Augenblick benötigt. Zu diesem Zweck kann die Steuervorrichtung 24 die Drehzahl der Abtriebswelle 12 bzw. der Sonnenradwelle 32 über eine Veränderung des Übersetzungsverhältnisses des Kegelscheibenumschlingungsgetriebes 8 bzw. des Planetengetriebes 26 verändern. Das Fördervermögens des Verdichters 19 kann also eingestellt werden, dass der bereitstellbare Luftmassenstrom deutlich größer ist als der von der Brennkraftmaschine tatsächlich benötigten Luftmassenstrom. Eine Angleichung des tatsächlich bereitgestellten Luftmassenstrom an den benötigten Luftmassenstrom wird über eine Veränderung des Strömungsquerschnitts des Durchlasses 23 durch die Drosselklappe 21 vorgenommen.
Der Verdichterläufer 15 arbeitet also mit einer Drehzahl, die höher ist als die Drehzahl, die zur Bereitstellung des im betrachteten Augenblick tatsächlich benötigten Luftmassenstroms der Brennkraftmaschine 1 notwendig ist. Kommt es nun zu einer Momentenanforderung durch den Fahrer des nicht näher dargestellten Fahrzeugs, welches die Brennkraftmaschine 1 und die Aufladevorrichtung 34 aufweist, so ist es bei bekannten Aufladevorrichtungen notwendig, den Verdichterläufer auf eine Drehzahl zu beschleunigen, die dem erhöhten Luftmassenstrom der Brennkraftmaschine entspricht.
Da der Verdichterläufer und die Verdichterwelle sowie das Getriebe, mit dem der Verdichterläufer von der Brennkraftmaschine und/oder einem Elektromotor bei bekannten Aufladevorrichtungen, massebehaftete Körper sind, benötigt das Hochlaufen des Verdichterläufers auf die Zieldrehzahl, die zur Förderung des dann benötigten erhöhten Luftmassenstroms der Brennkraftmaschine notwendig ist, ein Zeitfenster, welches bei der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aufladung einer Brennkraftmaschine in Wegfall geraten sind.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung 34 ist so ausgebildet, dass der Verdichter 19 in einem beliebigen betrachteten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 einen höheren Luftmassenstrom fördern könnte als ihn die Brennkraftmaschine 1 in dem betrachteten Betriebszustand benötigt. Eine Angleichung des vom Verdichter 19 tatsächlich geförderten Luftmassenstroms an den im betrachteten Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 benötigten Luftmassenstrom findet über die Drosselklappe 21 statt.
Da sich der Verdichterläufer 15 bereits mit einer Drehzahl dreht, die einem höheren bereitstellbaren Luftmassenstrom entspricht, als ihn die Brennkraftmaschine im betrachteten Betriebszustand gerade benötigt, ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung bei einer entsprechenden erhöhten Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine 1 nur mehr erforderlich, denn Strömungsquerschnitts des Durchlasses 23 zu vergrößern, indem der Drosselklappenwinkel der Drosselklappe 21 vergrößert wird und gleichsam zeitgleich mit der Vergrößerung des Drosselklappenwinkels steht der Brennkraftmaschine 1 ein dem höheren Motorwunschmoment entsprechender Luftmassenstrom zur Verfügung, ohne dass der Verdichterläufer 15 auf eine dem erhöhten Luftmassenstrom entsprechende höhere Drehzahl beschleunigt werden muss.
Da der Drosselklappenwinkel durch den Fahrer des Fahrzeugs selbst verstellt wird und dies zeitgleich mit der Anforderung eines höheren Motorwunschmoments durch den Fahrer geschieht, und gleichsam zeitgleich damit der Brennkraftmaschine 1 der notwendige erhöhte Luftmassenstrom zur Verfügung gestellt wird, reagiert die Brennkraftmaschine 1 mit einem dem erhöhten Motorwunschmoment entsprechenden gleichsam zeitgleichen Momentensprung. Der Fahrer stellt zwischen der Anforderung eines erhöhten Motorwunschmoment und dem tatsächlich von der Brennkraftmaschine bereitgestellten erhöhten Motormoment nahezu keine Verzögerung fest. Die Zeitdauer zwischen der Feststellung des erhöhten Motorwunschmoments durch die Steuervorrichtung und der tatsächlichen Bereitstellung des erhöhten Motormoments kann beispielsweise durch eine entsprechend schnelle Veränderung des Drosselklappenwinkels durch einen Steppermotor oder dergleichen, der die Drosselklappenwelle betätigt, noch verringert werden. Dies kann beispielsweise auch in Abhängigkeit dessen erfolgen, wie häufig der Fahrer Motorwunschmomentenänderungen vollzieht oder wie schnell er dabei den Stellwinkel des Gaspedals verändert.
3 zeigt ein Diagramm der Motorlast aufgetragen über der Zeit, die vier Lastveränderungen der Brennkraftmaschine aufgrund jeweiliger Momentenanforderungen durch den Fahrer repräsentiert und zwar im Vergleich mit der Aufladevorrichtung bzw. dem Aufladeverfahren nach der Erfindung und bekannter Aufladung bzw. deren Verfahren.
Im ersten Beispiel findet eine Momentenänderung im Teillastbereich von 20% der Motorlast auf 40% der möglichen Motorlast statt. Der Fahrer des Fahrzeugs fährt also beispielsweise mit niedriger Geschwindigkeit und möchte das Fahrzeug beschleunigen und betätigt zu diesem Zweck das Gaspedal.
Bei dem mit einer bekannten Aufladevorrichtung in der Form eines Abgasturboladers oder eines zusätzlich elektrisch betätigten Verdichters eines Abgasturboladers oder eines mechanisch angetriebenen bekannten Verdichters muss in allen Fällen nach der Erkennung der Momentenanforderung der jeweilige Verdichterläufer auf eine höhere Drehzahl beschleunigt werden. Diese Beschleunigung erfolgt während eines Zeitintervalls Δt_1-1b, die deutlich größer ist als das Zeitintervall Δt_1-1a, welches sich unter Einsatz der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung 34 und dem erfindungsgemäßen Aufladeverfahren verwirklichen lässt. Das Zeitintervall Δt_1-1a hängt im wesentlichen von der Stellgeschwindigkeit der Drosselklappe 21 und der Trägheit der Luftmasse zwischen dem Auslass des Verdichters 19 und den Brennräumen der Brennkraftmaschine 1 ab.
Noch deutlich größer wird die Differenz zwischen den beiden Zeitintervallen, wenn der Fahrer einen deutlich größeren Momentensprung anfordert, was in 3 durch das zweite Beispiel dargestellt wird. Der Fahrer des Fahrzeugs betätigt das Gaspedal so, dass im Teillastbereich eine Änderung von 20% Motorlast auf 80% Motorlast stattfindet. Dies führt bei Einsatz bekannter Aufladevorrichtungen zu einem Zeitintervall Δt_2-2b, während bei der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung ein deutlich kürzeres Zeitintervall von Δt_2-2a, realisiert werden kann. Daraus wird deutlich, dass der prozentuale Zeitgewinn der Reaktionszeit der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von dem Betrag des Momentensprungs umso größer wird, je größer der Momentensprung ist. Selbstverständlich umfasst die Erfindung auch eine Nachregelung der Drehzahl des Verdichters. Der beispielsweise mit einer solchen Drehzahl betriebene Verdichter, dass er einen Luftmassenstrom fördern könnte, der 40% höher ist als der von der Brennkraftmaschine benötigte Luftmassenstrom wird nach der Erkennung, dass der vom Fahrer gewünschte Momentensprung größer ist als er mit dem 40% Überschuss erreichbar wäre, auf eine solche Drehzahl beschleunigt, die dem gewünschten Momentensprung entspricht.
3 der Zeichnung zeigt ein weiteres, drittes Beispiel bei dem vom Fahrer des Fahrzeugs ein Momentensprung von 60% Motorlast auf Volllast (100%VL) gefordert wird.
Unter Einsatz der bekannten Aufladevorrichtung vergeht in diesem Fall ein Zeitintervall von Δt_3-3b, während die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Aufladeverfahren ein Zeitintervall Δt₃-_3a ermöglicht. Es heißt dies mit anderen Worten, dass die Reaktionszeit der Brennkraftmaschine auf eine erhöhte Momentenanforderung hin auch beim Übergang von Teillast zur Volllast unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Aufladeverfahrens deutlich verringert wird.
Nochmals deutlicher wird dies bei dem vierten Beispiel in 3, das ein starkes Beschleunigen des Fahrzeugs von Stillstand aus unter Volllast der Brennkraftmaschine darstellt. Die bei den gewählten Vergleichsbeispielen mit Ausnahme der Anordnung einer bekannten Aufladevorrichtung bzw. der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung ansonsten identische Brennkraftmaschine benötigt unter Einsatz der bekannten Aufladevorrichtung ein Zeitintervall von Δt_4-4b, um das gewünschte Motormoment bereitzustellen, während der Einsatz der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung ein deutlich kürzeres Zeitintervall von Δt_4-4a ermöglicht.
4 der Zeichnung zeigt einen weiteren Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wird die in 1 und 2 ersichtliche Brennkraftmaschine 1 mit einem Abgasturbolader oder einem mechanisch angetriebenen Verdichter im stationären Betrieb betrieben (ATL stationär), so kann die Brennkraftmaschine ein weitgehend plateauartiges relatives Motormoment M/M_max ab einer relativen Drehzahl n/nmax von etwa 26% abgeben, während sie im instationären Betrieb (ATL instationär) dazu erst ab einer relativen Drehzahl von etwa 30% in der Lage ist, da im instationären Betrieb zuerst ausreichend Abgasmenge produziert werden muss.
Bei der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung ist die vom Verdichter bereitgestellte Luftmasse weitgehend unabhängig von der Drehzahl der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, die ein höheres Motormoment bereits früher als in der Betriebsweise ATL oder mit einem bekannten mechanisch angetriebenen Verdichter stationär oder instationär zur Verfügung stellen kann.
Auch kann der Momentenverlauf insgesamt vorteilhaft und frei gestaltet werden, da die Brennkraftmaschine beim Betrieb mit einem Abgasturbolader von der im Abgas gespeicherten Energie hinsichtlich ihres Aufladegrades abhängig ist, während die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung eine weitere Steigerung der zugeführten Luftmasse ermöglicht und zu diesem Zweck die Drehzahl des Verdichters erhöht werden kann, so dass sich ab dem gleich bleibenden Motormoment beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader der in 4 ersichtliche, in guter Näherung dreieckförmige Verlauf A des Motormoments erzielen lässt. Es bedeutet dies mit anderen Worten, dass der Brennkraftmaschine beim Einsatz der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung ein deutlich höheres maximales Drehmoment abgeben kann. Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung und das Verfahren nach der Erfindung bietet mehr Freiheitsgrade bei der Gestaltung des Drehmomentverlaufs. Auch bei zu mit einem Abgasturbolader erreichbarer Drehmomentsteigerung erlaubt die Aufladevorrichtung einen früheren, länger ausgeprägten, und neben einem flachen, auch die Möglichkeit eines ansteigenden Drehmomentenverlaufes.
Dies ist ein zu der deutlich kürzeren Reaktionszeit der Brennkraftmaschine, die vorstehend erläutert worden ist, ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung.
Die Tatsache, dass mit der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung bei steigender Motordrehzahl ein immer größeres Motordrehmoment erzielt werden kann, ergibt sich auch anhand von 5. Die Brennkraftmaschine erzeugt mit der Aufladevorrichtung den mit A ersichtlichen Verlauf, während beim Einsatz eines Verdichters nach dem Verdrängerprinzip, beispielsweise einem Roots Kompressor ein deutlich niedrigeres maximales Motormoment erreicht wird, genauso wie beim Einsatz eines Abgasturboladers oder eines mechanisch angetriebenen Radialverdichters. In allen Fällen ist das durch die Erfindung realisierbare maximale Motormoment höher und erfährt einen mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine weitgehend linear steigenden und damit qualitativ vorteilhaften Verlauf, den der Fahrer des Fahrzeugs als steigende Beschleunigung erfährt.
6 der Zeichnung zeigt den Verlauf der Drehzahl des Verdichterläufers bei Einsatz der erfindungsgemäßen Aufladevorrichtung im Vergleich zu dem Drehzahlverlauf bei einer starren Übersetzung, wie dies beispielsweise bei der aus der DE 102 11 166 A1 bekannten Konfiguration der Fall ist, bei der sich die Verdichterdrehzahl linear verändert und demgemäß nicht weitgehend frei verändert werden kann.
Der Steg 29 des Planetengetriebes 26 nach der zweiten Ausführungsform gemäß 2 kann mittels der elektrischen Maschine 31 sowohl abgebremst als auch beschleunigt werden, um das in 6 dargestellte Drehzahlprofil des Verdichterläufers 15 zu erreichen. Ein linearer Anstieg der Drehzahl des Verdichterläufers 15 wird dadurch erreicht, dass der Steg 29 festgebremst wird, seine Drehzahl also null beträgt.
7 der Zeichnung zeigt den Verlauf der Leistung der Eingangswelle (Antriebswelle 6 oder Hohlradwelle) in Abhängigkeit der Motordrehzahl. Mit steigender Drehzahl der Brennkraftmaschine nimmt die über die Hohlradwelle übertragene Leistung linear zu, unabhängig von Betrieb der Brennkraftmaschine unter Teillast oder Volllast, während die vom Steg oder Planetenträger 29 übertragene Leistung im gesamten Drehzahlbereich zur Nutzung der elektrischen Maschine 31 als Generator genutzt werden kann oder neben dem vorstehend bereits erwähnten verbrennungsmotorischen Overboost auch als elektrischer Overboost, um beispielsweise einen im Triebstrang des Fahrzeugs angeordneten Elektromotor anzutreiben, um das Fahrzeug zusätzlich zu beschleunigen, wie dies durch die schraffierte Fläche in 7 dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung kann also auch als Vorrichtung zum Eintrag mechanischer Energie in den Triebstrang des Fahrzeugs genutzt werden.
8 der Zeichnung zeigt hinsichtlich der Hohlradwelle unter Teillast und Volllast einen zu 7 ähnlichen Verlauf, während der Leistungsverlauf des Stegs im Teillastbereich zwischen etwa 10% und etwa 30% einen positiven Verlauf zeigt. In diesem Bereich wird die Verdichterwelle 32 durch den Einsatz der elektrischen Maschine 31 beschleunigt, um die Drehzahl des Verdichterläufers 15 zu steigern, da die Brennkraftmaschine 1 in diesem niedrigen Drehzahlbereich nicht ausreichend Antriebsenergie zur Beschleunigung der Verdichterwelle zur Verfügung stellen kann. Befindet sich die Brennkraftmaschine in einem mittleren Drehzahlbereich von beispielsweise 30% bis 60% relative Motordrehzahl, so kann die elektrische Maschine 31 auch im Teillastbetrieb rekuperativ eingesetzt werden, also die ansonsten notwendige Lichtmaschine zur Speisung des Bordnetzes des Fahrzeugs ersetzen. Im Bereich höherer Motordrehzahlen, in 8 ab etwa 60% relativer Motordrehzahl dargestellt, kann die elektrische Maschine 31 im Teillastbetrieb rekuperativ eingesetzt werden, um dem System nicht zur Fahrzeugbeschleunigung erforderliche Energie zu entziehen und diese beispielsweise in einer Fahrzeugbatterie zur späteren Nutzung zu speichern.
9 der Zeichnung schließlich zeigt ein Diagramm der relativen Drehzahl des Verdichters, des Luftmassenstromverhältnisses und des Luftmassenstroms jeweils aufgetragen über der Zeit.
Zur Zeit t=to erfolgt ein Lastsprung in der Form einer Momentenanforderung durch den Fahrer des Fahrzeugs durch Betätigung des Gaspedals. Dies führt zu einer sprungartigen Zunahme des Luftmassenstrom-Bedarfs der Brennkraftmaschine von im gezeigten Beispiel 60% auf 80% (oberes Diagramm in 9). Der Luftmassenstrom einer mit einem Abgasturbolader (ATL) betriebenen Aufladevorrichtung kann diesem erhöhten Bedarf nur allmählich folgen, da die Brennkraftmaschine erst genügend Abgas produzieren muss, um den Verdichter entsprechend beschleunigen zu können. Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung hingegen sorgt aufgrund der bereits vor dem Lastsprung höheren Drehzahl des Verdichters und damit höherem bereitstellbaren Luftmassenstrom für einen sehr raschen Anstieg des bereitgestellten Luftmassenstroms an den erhöhten Luftbedarf der Brennkraftmaschine.
Wie es sich anhand der mittleren Darstellung in 9 ergibt, arbeitet im betrachteten Anwendungsfall die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung vor dem Lastsprung mit einem Luftmassenstromverhältnis von 140%, d.h. der bereitstellbare Luftmassenstrom des Verdichters relativ zum tatsächlichen Bedarf an Luftmasse der Brennkraftmaschine vor dem Lastsprung ist um den Faktor 1,4 höher. Im Augenblick des Lastsprungs von einer Teillast 60% auf eine Teillast 80% ist eine Nachregelung der Drehzahl des Verdichterläufers 15 nicht erforderlich, da bei der Lasterhöhung um x der vom Verdichter 19 tatsächlich geförderte Luftmassenstrom genau dem von der Brennkraftmaschine benötigten Luftmassenstrom entspricht. Die Brennkraftmaschine 1 reagiert auf dem Lastsprung also mit einem nahezu zeitgleichen Anstieg des Motormoments, da der Verdichterläufer 19 nicht beschleunigt werden muss. Ist die Lasterhöhung y in einem zweiten betrachteten Fall größer als x, ist eine Erhöhung der Drehzahl des Verdichterläufers 15 erforderlich, um den gelieferten Luftmassenstrom an den benötigten Massenstrom anzugleichen. Dies wird auch im unteren Diagramm der 9 ersichtlich, da bei einer Lasterhöhung um den Faktor x die Drehzahl des Verdichterläufers 15 gleich bleibt, während bei einer Lasterhöhung um den Faktor y die Drehzahl des Verdichterläufers 15 nachgeregelt werden muss.
Entspricht die Lasterhöhung um den Faktor y der typischen Lasterhöhung des Fahrers des Fahrzeugs während eines oder mehrerer Zeitintervalle, wird dies von der Steuervorrichtung 24 festgestellt und kann dazu verwendet werden, den in der mittleren Darstellung der 9 ersichtliche Luftmassenstromverhältnis von dem dargestellten Faktor 1,4 auf beispielsweise 1,58 zu erhöhen, so dass eine Nachregelung der Drehzahl des Verdichterläufers 15 in einem für diesen Fahrer typischen Lastsprungfall nicht mehr erforderlich ist. Die Steuervorrichtung 24 kann das Verhalten der Aufladevorrichtung 24 an das für den Fahrer typische Fahrverhalten anpassen.
10 der Zeichnung zeigt ein Diagramm des Verhältnisses des vom Verdichter im ungedrosselten Zustand bereitstellbaren Luftmassenstroms im Verhältnis zum vom Motor benötigten Luftmassenstrom. Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, kann der bereitstellbare Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine verändert werden. So ist es im unteren Drehzahlbereich von etwa Null oder Leerlaufdrehzahl vorgesehen, den bereitstellbaren Luftmassenstrom auf Werte im Bereich von etwa 1.4 bis etwa 2.2 des benötigten Luftmassenstroms einzustellen, ab etwa 40% der Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine bis etwa 60% der Nenndrehzahl dann das Verhältnis zu verringern, indem der obere Wert von etwa 2.2 mit steigender Drehzahl auf etwa 1.7 verringert wird bei einer unteren Grenze von jeweils etwa 1.4 und oberhalb der Drehzahl von 60% der Nenndrehzahl auf Werte im Bereich von 1.4 bis 1.7
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein schneller Ladedruckaufbau in allen Betriebspunkten der Brennkraftmaschine erzielt wird. Die elektrische Maschine kann sowohl als Elektromotor zur Steigerung des Drehmoments der Brennkraftmaschine eingesetzt werden als auch generatorisch, um die ansonsten erforderliche Lichtmaschine eines Fahrzeugs zu ersetzen oder um rekuperativ Energie in das Bordnetz des Fahrzeugs zurück zu speisen oder um einen im Triebstrang angeordneten Elektromotor zur zusätzlichen. Beschleunigung des Fahrzeugs zu speisen. Das von der Brennkraftmaschine abgegebene Motormoment kann über die Drehzahl des Verdichterläufers weit gehend frei den Wünschen des Fahrers angepasst werden, im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ist ihre Aufladung nahe der Pumpgrenze des Verdichters möglich, das Drosselorgan vor dem Einlauf des Verdichters sorgt dafür, dass nur eine bedarfsgerechte Luftmasse verdichtet wird, ohne dass ein Bypass im System erforderlich ist und durch die Ausbildung der Aufladevorrichtung so, dass der vom Verdichter bereitstellbare Massenstrom an Verbrennungsluft größer ist als der von der Brennkraftmaschine zumindest im Teillastbereich benötigte Massenstrom kann eine Vorhaltestrategie für nahezu verzögerungsfreien Ladedruckaufbau an Lasterhöhung implementiert werden.
Die erfindungsgemäße Aufladevorrichtung liefert unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine Luftmasse und die Betriebspunkte Brennkraftmaschine-Verdichter, die Schnittpunkte der Motorschlucklinie und der Führer der Linie des Verdichters sind unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Das nach einer Ausführungsform vorgesehene Überlagerungsgetriebe ermöglicht es, dass Leistung in das System eingespeist werden kann oder rekuperativ aus dem System gewonnen werden kann. Die elektrische Maschine ermöglicht die Realisierung sowohl leistungsals auch verbrauchsoptimaler Motorkennfelder.
Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird in übrigen ausdrücklich auf die Patentansprüche und die Zeichnung verwiesen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Kurbelwelle
3: Zahnriemenrad
4: Zahnriemen
5: zweites Zahnriemenrad
6: Antriebswelle
7: Getriebe
8: Kegelscheibenumschlingungsgetriebe
9: Kegelscheibenpaar
10: Kegelscheibenpaar
11: Kette
12: Abtriebswelle
13: Wälzlager
14: Gehäuse
15: Verdichterläufer
16: Gehäuseinnenraum
17: Gehäuseinnenraum
18: Dichtungseinrichtung
19: Verdichter
20: Einlauf
21: Drosselorgan, Drosselklappe
22: Verdichterraum
23: Durchlass
24: Steuervorrichtung
25: Überlagerungsgetriebe
26: Planetengetriebe
27: Hohlrad
28: Planeten
29: Planetenträger, Steg
30: Stirnrad
31: elektrische Maschine
32: Sonnenradwelle
33: Riementrieb
34: Aufladevorrichtung
35: Antriebswelle

Claims

Verfahren der Aufladung einer Brennkraftmaschine (1) mittels eines von der Brennkraftmaschine (1) über ein insbesondere stufenlos veränderbares Getriebe (7, 8, 25) angetriebenen Verdichters (19), dessen bereitstellbarer Massenstrom an Verbrennungsluft unabhängig von dem von der Brennkraftmaschine (1) benötigten Massenstrom veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitstellbare Massenstrom höher als der benötigte Massenstrom eingestellt wird und mittels eines Drosselorgans (21) stromaufwärts des Verdichters (19) der vom Verdichter (19) gelieferte Massenstrom an den von der Brennkraftmaschine (1) im stätionären Betriebszustand benötigten Massenstrom angeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom Drosselorgan (21) freigebbarer, zum Durchlass von Verbrennungsluft in den Einlauf (20) des Verdichters (19) vorgesehener Strömungsquerschnitt weitgehend zeitgleich mit einer steigenden Momentenanforderung an die Brennkraftmaschine (1) vergrößert wird derart, dass der vom Verdichter (19) an die Brennkraftmaschine (1) gelieferte Massenstrom weitgehend zeitgleich mit der Momentenanforderung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichter (19) ein Radialverdichter vorgesehen ist, dessen bereitstellbarer Massenstrom durch eine Veränderung der Drehzahl einer Antriebswelle (35) eines Laufrads (15) des Radialverdichters veränderbar ist und die Drehzahl unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) verändert wird mittels einer mit der Antriebswelle (35) über das Getriebe (7, 8, 25) wirkverbundenen elektrischen Maschine und die Drehzahl der Antriebswelle so eingestellt wird, dass der bereitstellbare ungedrosselte Massenstrom höher ist als der benötigte Massenstrom der Brennkraftmaschine.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Brennkraftmaschine (1) bereitgestellte Abtriebsmoment mittels einer Veränderung der Drehzahl der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) und/oder eines Öffnungswinkels einer Drosselklappe (21) des Drosselorgans verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die elektrische Maschine (31) im Eingriff mit einem Planetenträger (29) eines Überlagerungsgetriebes (25) befindet und in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine (1) als Elektromotor zur Beschleunigung der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) oder als Generator vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bereitstellbare Massenstrom in Abhängigkeit von während mindestens einer vorbestimmten Zeitdauer erfassten Werten des von der Brennkraftmaschine (1) bereitgestellten Antriebsmoments und dem von einem Benutzer der Brennkraftmaschine (1) angeforderten Antriebsmoment ermittelt wird und eine zugehörige Drehzahl der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Veränderung des von der Drosselklappe (21) freigegebenen Strömungsquerschnitts in Abhängigkeit von während mindestens einer vorbestimmten Zeitdauer erfassten Werten des von der Brennkraftmaschine (1) bereitgestellten Antriebsmoments und dem von einem Benutzer der Brennkraftmaschine (1) angeforderten Antriebsmoment ermittelt wird und ein Drosselklappenöffnungswinkel in Abhängigkeit der ermittelten Werte verändert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Brennkraftmaschine (1) zugeführte Massenstrom an Verbrennungsluft mittels nur eines stromaufwärts des Verdichters (19) angeordneten Drosselorgans (21) verändert wird.
Aufladevorrichtung (34) für eine Brennkraftmaschine (1), mit einer Steuervorrichtung (24) und einem von der Brennkraftmaschine (1) über ein Getriebe (7, 8, 25) antreibbaren Verdichter (19), wobei das Getriebe (7, 8, 25) eine mit einer Antriebswelle (35) des Verdichters (19) wirkverbundene Abtriebswelle (12) und eine mit der Brennkraftmaschine (1) wirkverbundene Antriebswelle (6) besitzt und die Drehzahl der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle (6) des Getriebes (7, 8, 25) veränderbar ist, und der Verdichter (19) einen Einlauf (20) für Verbrennungsluft besitzt, wobei die Vorrichtung (34) so ausgebildet ist, dass der vom Verdichter (19) bereitstellbare Massenstrom an Verbrennungsluft größer ist als der von der Brennkraftmaschine (1) im Teillastbereich benötigte Massenstrom an Verbrennungsluft und stromaufwärts des Einlaufs (20) des Verdichters (19) ein Drosselorgan (21) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Aufladevorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (34) zur weitgehenden Angleichung des vom Verdichter (19) gelieferten Massenstroms an den von der Brennkraftmaschine (1) im weitgehend stationären Betriebszustand im Teillastbereich benötigten Massenstrom ausgebildet ist.
Aufladevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (34) zur Angleichung des gelieferten Massenstroms an den benötigten Massenstrom mittels einer Veränderung eines vom Drosselorgan (21) freigebbaren, zum Durchlass von Verbrennungsluft in den Einlauf (20) des Verdichters (19) vorgesehenen Strömungsquerschnitts ausgebildet ist.
Aufladevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (24) zur Beeinflussung der Drehzahl der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) ausgebildet ist derart, dass der ungedrosselte bereitstellbare Massenstrom des Verdichters (19) vorbestimmbar zumindest gleich dem benötigten Massenstrom der Brennkraftmaschine (1) ist.
Aufladevorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (7, 8, 25) als Kegelscheibenumschlingungsgetriebe (8) ausgebildet ist, dessen Abtriebswelle (12) mit der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) gekoppelt ist oder als Drehzahlüberlagerungsgetriebe (25) ausgebildet ist, dessen Sonnenradwelle (32) mit der Antriebswelle (35) des Verdichters (19) gekoppelt ist.
Aufladevorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine mit einem Planetenträger (29) des Drehzahlüberlagerungsgetriebes (25) wirkverbundene elektrisehe Maschine (31), die zum Antrieb der und durch die Sonnenradwelle (32) ausgebildet ist.