DE102013000040A1

DE102013000040A1 - Brennkraftmaschine mit extern reduzierten Ladungswechselverlusten

Info

Publication number: DE102013000040A1
Application number: DE201310000040
Authority: DE
Inventors: Johann Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2013-01-07
Filing date: 2013-01-07
Publication date: 2014-07-10
Anticipated expiration: 2033-01-08
Also published as: DE102013000040B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge wird zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe in der Motorteillast zumindest temporär so eingestellt ist, dass diese den Ansaugdruck der Verbrennungsluft stromauf der Motoreinlassventile bei gedrosselter Motorleistung absenkt, während eine Vorrichtung stromab der Motorauslassventile dem Abgasmassenstrom mittels einer abgasseitigen Kompressionsmaschine technische Arbeit zuführt und damit den statischen Druck des Abgases stromab der Motorauslassventile und stromauf der abgasseitigen Kompressionsmaschine absenkt. Damit wird der Brennkraftmaschine unmittelbar stromab der Motorauslassventile, insbesondere auch unmittelbar stromauf der Motoreinlassventile, einen Druck unterhalb des Umgebungsdruckes aufprägt, und zwar derart, dass die von der Brennkraftmaschine aufzubringende Ladungswechselarbeit und der Kraftstoffstoffverbrauch reduziert werden. Die Energie zum Antrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine wird insbesondere durch eine luftseitige Turbine in der Ansaugluftleitung bereitgestellt, die der Ansaugluft in der Motorteillast technische Arbeit entzieht und/oder durch andere weitgehend kraftstoffverbrauchsneutrale Quellen, wie der Bremsenergierückgewinnung oder der Thermoelektrik.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe und Motoreinlassventile in den Brennraum der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert.
Derartige Brennkraftmaschinen sind seit langem bekannt und bestimmen bis heute in hohem Maße den Antrieb von Kraftfahrzeugen.
In der Regel handelt es sich dabei um Ottomotoren, bei denen die Drosselklappe den Luftmassenstrom im der Motorteillast drosselt und damit den Sollwert des Luftmassenstroms einregelt.
Dabei ist es ein typisches Problem, dass diese Drosselung zu erhöhten Ladungswechselverlusten führt, die von den Kolben der Brennkraftmaschine aufzubringen sind, was den Kraftstoffverbrauch in der Motorteillast negativ beeinflusst.
Als Ladungswechselverluste sind in dieser Erfindungsbeschreibung sowohl die Verluste beim Ein- und Ausströmen über die Motorein- und Motorauslassventile in die Brennräume einschließlich der übrigen Drosselverluste aufgrund der pulsierenden Strömungen in den Saug- und Abgasrohren und der Drosselklappe zusammengefasst.
Eine bekannte Lösung zur Verminderung der Ladungswechselverluste ist die Verwendung variabler Ventilsteuerzeiten der Motorein- und Motorauslassventile, bis hin zu frei steuerbaren Motoreinlass- und/oder Motorauslassventilen zur möglichst drosselfreien Laststeuerung.
Typisch für solche Lösungen sind das BMW-Doppel-Vanos, das Audi Valve Lift System, das Ford Twin-VCT, das Fiat Muliti-Air-System, etc.. Letzteres System geht sogar so weit, mittels einer genau dosierten Ansteuerung der Motoreinlassventile die Aufgaben der Drosselklappe zu übernehmen. Das liefert signifikante Kraftstoffverbrauchsvorteile, ist aber mit einem sehr hohem Aufwand verbunden und nutzt dennoch nicht das volle theoretische Potential eines Betriebs ohne Drosselung.
Eine weitere bekannte Lösung, um die Drosselverluste zu mindern, ist das Down-Sizing und Down-Speeding der Brennkraftmaschine in Verbindung mit dem Einsatz der Turboaufladung.
Das bringt bereits bei homogener Verbrennung Vorteile, in ganz besonderem Maße in Verbindung mit einer Direkteinspritzung des Kraftstoffs bis hin zu solchen direkteinspritzenden Brennverfahren, die mit Luftüberschuss arbeiten.
Auch verschiedene Kombinationen dieser Maßnahmen sind bekannt.
Der Aufwand für diese Maßnahmen ist sehr hoch und hat dennoch bis heute nicht auf eine vollkommen befriedigende Entdrosselung bzw. zumindest nicht in vollem Umfang auf die damit eigentlich zu erwartende Kraftstoffeinsparung geführt.
Aus der DE3205722 ist außerdem bekannt, eine Arbeitsmaschine im Luftansaugsystem anzuordnen und mit dieser eine geeignete Einstellung des Frisch luftmassenstroms zu bewirken, indem diese Arbeitsmaschine dem Frischluftmassenstrom technische Arbeit entzieht und damit den Druck stromauf der Motoreinlassventile auf den Zielwert einstellt, gegebenenfalls unter Hinzunahme einer konventionellen, aber weniger geschlossenen Drosselklappe. Es wird vorgeschlagen, die saugseitig gewonnene Arbeit/Leistung mittels eines Generators zur Beladung der Fahrzeugbatterie zu verwenden.
Alternativ wird vorgeschlagen, die saugseitig gewonnene Arbeit/Leistung mittels eines drehzahlvariablen Kopplungsgetriebes mechanisch auf die Antriebswelle der Brennkraftmaschine zu übertragen. Hierfür ist ein hoher konstruktiver und reglungstechnischer Aufwand erforderlich.
Aus der DE 602004000194T2 ist des weiteren bekannt, einen el. angetriebenen Turbolader im Saugrohr zu platzieren, wobei sowohl die Turbine als auch der Verdichter im Saugrohr angeordnet und von der Verbrennungsfrischluft durchströmbar sind. Die Turbine wird dabei temporär als Expansionsmaschine genutzt, die die übliche Drosselung an einer Drosselklappe teilweise ersetzt und über den in dieser Betriebsart als Generator arbeitenden el. Verdichterantriebsmotor zur Beladung einer Fahrzeugbatterie verwendet.
Das zielt auf einen Energierückgewinn bei Motorteillast ab, um eine el. Maschine zum Antrieb eines für hohe Motorlast verwendeten Turboverdichters besser zu nutzen bzw. die für den Verdichter bei hoher Motorlast benötigte el. Leistung bereitzustellen.
Auch hier ist der bauliche und reglungstechnische Aufwand sehr groß. Beim Betrieb mit permanent geringer Motorlast sind Kraftstoffverbrauchsvorteile nur bis zur vollständigen Beladung der Fahrzeugbatterie zu erwarten.
Dem gegenüber besteht die Aufgabe, ein kosteneffektives und/oder ergänzendes Verfahren zu entwickeln, das die Ladungswechselverluste einer Brennkraftmaschine reduziert und damit den Kraftstoffverbrauch in der Motorteillast verbessert.
Diese Aufgabe wird von der Erfindung des Patentanspruchs 1 gelöst.
Auch die zusätzlichen unabhängigen Patentansprüche lösen diese Aufgabe.
Eine Anwendung der Erfindung ist insbesondere als Ergänzung zu bereits bekannten Motoren mit und ohne Turboaufladung möglich und selbst dann noch vorteilhaft einsetzbar, wenn bereits eine oder mehrere inzwischen übliche Methoden zur Minderung der Ladungswechselverluste verwendet werden.
Ganz besonders große Vorteile ergeben sich insbesondere an konventionellen Ottomotoren, die unter Verzicht auf eine Aufladung ein relativ großes Hubvolumen aufweisen und aus Kostengründen auf sehr preiswerte Ventiltriebe ohne oder mit nur geringen Verstellmöglichkeiten zurückgreifen.
Die Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms erfolgt bei der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 mittels einer Hauptdrosselklappe, deren Stellung für einen gegebenen Luftmassenstrom unter Berücksichtigung der Rückwirkung einer Kompressionsmaschine im Abgasstrang erfolgt, welche bevorzugt ein Turboverdichter ist.
Indem dem Abgasmassenstrom mit dieser abgasseitigen Kompressionsmaschine bei entsprechender Verfügbarkeit technische Arbeit hinzugeführt wird, beispielsweise mit einem elektrisch angetriebenen Turboverdichter, sinkt der an den Motorauslassventilen anliegende Abgasgegendruck, was die Brennkraftmaschine entdrosselt, indem die Ausschiebearbeit reduziert wird.
Ohne Gegenmaßnahme würde das in der Regel den Frischluftmassenstrom erhöhen, weil der reduzierte Abgasgegendruck über den Brennraum bzw. die Restgasmenge und den Restgasdruck und letztlich die geöffneten Motoreinlassventile auch Einfluss auf den Druck unmittelbar stromauf der Motoreinlassventile nimmt, so dass über der Hauptdrosselklappe eine erhöhte Druckdifferenz anliegt.
Die Hauptdrosselklappe wirkt dem erfindungsgemäß entgegen, indem sie entsprechend der momentan abgasseitig zugeführten technischen Arbeit die Drosselwirkung etwas erhöht oder reduziert, so dass im Brennraum diejenige Luftmasse zur Verfügung steht, die zur Verbrennung bzw. zum benötigten Motordrehmoment erforderlich ist.
Damit bleibt beispielsweise bei einem Ottomotor mit konventioneller 3-Wege-Abgasnachbehandlung ein stöchiometrischer Betrieb der Verbrennung einstellbar.
Diese Vorgehensweise liefert überraschender Weise in der Summe aller Maßnahmen und Wirkungen in der unteren Motorteillast, d. h. bei relativ kleinem Luftmassenstrom und insbesondere im motorleerlaufnahen Betrieb, eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs, obwohl die Drosselklappe während der abgasseitigen Zufuhr technischer Arbeit stärker geschlossen werden muss, als bei ausgeschalteter oder nicht vorhandener abgasseitiger Kompressionsmaschine.
Insbesondere erscheint es im Motorteillastbetrieb mit teilweise geschlossener Drosselklappe (14) zunächst als energetisch wenig sinnvoll, elektrische Leistung in eine abgasseitige Kompressionsmaschine zu leiten, schon gar nicht mit Blick auf die absehbare Wirkung dieser Maßnahme, dass luftseitig mittels der Drosselkappe stärker gedrosselt werden muss.
Diese oberflächliche Betrachtung berücksichtigt jedoch nicht, dass es bei Kfz eine ganze Reihe von Möglichkeiten gibt, die Antriebsleistung für die abgasseitige Kompressionsmaschine weitgehend oder gar vollständig kraftstoffverbrauchsneutral darzustellen bzw. aus früheren Betriebszuständen des Fahrzeugs vorzuhalten. So kann für den Antrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine beispielsweise die Fahrzeugbatterie als Energiequelle zur Verfügung stehen, weil sie weit über das Mindestmaß beladen ist.
Dieser Batteriezustand kann z. B. von einem vorangegangenen Betrieb mit häufiger Bremsenergierückgewinnung herrühren.
Noch wesentlich häufiger ist überschüssige el. Energie zu erwarten, wenn eine zusätzliche Expansionsmaschine zum Einsatz kommt, welche dem Verbrennungsluftmassenstrom technische Arbeit entzieht und über einen Generator die Fahrzeugbatterie oder einen anderen el. Energiespeicher belädt, weshalb die Kombination der Erfindung mit dieser Maßnahme für die Reduktion des Kraftstoffverbrauchs in der Motorteillast ganz besonders vorteilhaft ist.
Hilfreich im Hinblick auf die benötigten el. Leistungen und Speicherkapazitäten ist hierbei der Sachverhalt, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen primär auf Betriebspunkte mit vergleichsweise geringer Motorlast ausgerichtet sind, beispielsweise auf den in Europa gültigen gesetzlichen Test zur Bestimmung der Schadstoffemissionen bzw. des Kraftstoffverbrauchs. Gängige Kürzel für diesen europäischen Test/Fahrzyklus sind u. a. MVEURO = NEDC = NEFZ = MVEGA.
Wenn nachfolgend auf die spezifische Anpassung der Erfindung für den „NEFZ” Bezug genommen wird, bedeutet dies in der Regel eine Kosten/Nutzen-Optimierung im Sinne der Fahrzeug-Kraftstoffverbrauchsangaben für den Fahrzeugverkauf, indirekt aber auch, dass im normalen Stadtverkehr sehr häufig die Möglichkeit zur Nutzung der Erfindung besteht.
Die geringe Motorlast im NEFZ bzw. im Stadtverkehr bedeuten letztlich einen häufigen Betrieb mit relativ kleinen Luft- und Abgasmassenströmen, so dass eine vergleichsweise geringe Antriebsleistung der abgasseitigen Kompressionsmaschine ausreicht.
Mit einem derart veränderten Blick auf den Bedarf und die Verfügbarkeit der Energie für den Antrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine wird verständlich, warum die Vorgehensweise nach Patentanspruch 1 bzw. nach einem der anderen unabhängigen Patentansprüchen die erfindungsgemäße Aufgabenstellung löst, d. h. bei gedrosselter Motorlast bzw. Motorleistung eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs liefert: Wenn die Energie für den Antrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine auf die weitgehend kraftstoffverbrauchsneutral zur Verfügung stehende Energiemenge begrenzt wird, überwiegen in der Regel die Vorteile aufgrund der reduzierten Kolbenarbeit beim Ausschieben der Abgase in Relation zu den etwas höheren Drosselverlusten an der Drosselklappe sowie der etwas höheren Kolbenarbeit beim Ansaugen der Verbrennungsluft leicht reduzierten Druckes.
Dass diese beiden Arbeiten unterschiedlich ins Gewicht fallen, liegt u. a. daran, dass der abgasseitige Unterdruck beim Ausschieben der Abgase durch den Kolben permanent an den Motorauslassventilen anliegt, während er sich beim Ansaugen der Frischluft durch den Kolben nur über die nach dem Ausschieben im Brennraum verbleibende Restgasmenge reduzierten Druckes auf die Saugseite auswirkt. Da die Restgasmenge bereits im Basiszustand klein ist, ist auch die Wirkung einer kleinen Änderung des Restgasdruckes zum Zeitpunkt des Öffnens der Motoreinlassventile relativ klein.
Gegebenenfalls kommt noch ein gewisses Übersprechen des Unterdrucks während der Ventilüberschneidung hinzu, wodurch die Rückwirkung des reduzierten Abgasgegendruckes auf die Saugseite zunimmt. Auch dieser Effekt ist beim Ansaugen der Frischluft zeitlich wesentlich kürzer auf den Kolben wirksam als beim Ausschieben der Abgase, so dass letztlich die Ladungswechselarbeit reduziert wird, zumindest solange die Energie für die abgasseitige Kompressionsmaschine kraftstoffsverbrauchsneutral zur Verfügung steht.
Der Unterschied der Drosselklappenstellungen ist bei einem definierten Motorteillastbetriebspunkt bei ein- und ausgeschalteter abgasseitiger Kompressionsmaschine also nur vergleichsweise gering, ebenso wie der Unterschied der Arbeit, die der Kolben beim Ansaugen der Frischluft verrichten muss. Das ist zumindest bei Lambda = 1-Betrieb auch deshalb notwendigerweise der Fall, weil die Luftmenge die abgegebene Motorleistung maßgeblich bestimmt, d. h. Änderungen des Luftmassenstroms eigentlich nur die unterschiedlichen Ladungswechselverluste reflektieren. Da die Werte von Druck, Dichte und Temperatur der Luft mit der bekannten Gleichung idealer Gase voneinander abhängen und sich die Ansauglufttemperatur mit und ohne Betrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine nur wenig ändert, muss bei unverändertem Hubvolumen auch der Druck des vom Kolben angesaugten Frischgases annähernd unverändert sein. Das ist letztlich gleichbedeutend mit einer nur vergleichsweise geringen Zunahme der Ansaugarbeit aufgrund des Betriebs der abgasseitigen Kompressionsmaschine.
Die realen Strömungsverhältnisse und Druckverluste einschließlich der gasdynamischen Effekte innerhalb des Saugrohrs und des Abgassystems verschieben die bisherigen, zugegebenermaßen auf stark vereinfachten Überlegungen beruhenden, Aussagen zwar etwas, ändern jedoch an der Grundaussage bzw. dem Nutzen der Vorgehensweise nach Patentanspruch 1 nichts:
Für den Motorteillastbetrieb mit teilweise geschlossener Drosselklappe liefert der Einbau bzw. das Einschalten einer Kompressionsmaschine im Abgasstrang überraschender Weise einen sehr einfachen und kosteneffektiven Weg, um die Ladungswechselverluste der Brennkraftmaschine zu reduzieren und den Kraftstoffverbrauch zu senken.
Dabei ist es ein ausgesprochener Vorteil der Erfindung, dass diese ohne eine mechanische Kopplung zur Antriebswelle der Brennkraftmaschine auskommt, und dennoch wie eine mechanische Kopplung zur Einkopplung von Fremdleistung, beispielsweise el. Leistung aus der Fahrzeugbatterie oder mechanischer Wellenleistung einer Turbine im Ansaugluftstrom, nutzbar ist.
Das vereinfacht die erforderlichen baulichen und reglungstechnischen Eingriffe in bestehende Brennkraftmaschinenkonzepte ganz erheblich, ebenso wie einen nachträglichen Einbau in bereits geplante Motor- bzw. Fahrzeugbaureihen.
Im einfachsten Fall wird einfach alle frei verfügbare bzw. überschüssige el. Energie in der abgasseitigen Kompressionsmaschine umgesetzt und mit der Drosselklappe die erforderliche Feindosierung der Motorleistung bzw. des Verbrennungsluftmassenstroms vorgenommen.
Diese Vorgehensweise ist insbesondere auch vorteilhaft, wenn die abgasseitige Kompressionsmaschine ein Turboverdichter ist, der über eine Antriebswelle von einer Turbine im Frischluftmassenstrom antreibbar ist. Die Wirkungsgradkette der Einzelwirkungsgrade der Turbine, der mechanischen Übertragung über die Welle sowie der Kompressionsmaschine begrenzt die hier letztlich übertragbare Leistung und den erzielbaren Unterdruck stromab der Motorauslassventile, doch speziell im Hinblick auf den Stadtverkehr ergeben sich letztlich Kraftstoffeinsparpotentiale, die im Hinblick auf die Kosten, z. B. in Euro pro Prozent Kraftstoffeinsparung im NEFZ, durchaus attraktiv sind.
Es ist insbesondere vorteilhaft, den Absolutdruck des Abgases im Bereich stromauf der abgasseitigen Kompressionsmaschine unter den Druck der Umgebungsluft abzusenken, um die Ladungswechselverluste des Ausschiebens der Verbrennungsabgase aus dem Motor in Richtung Umgebung möglichst klein zu gestalten.
Wenn die abgasseitig eingebrachte technische Arbeit hoch genug ist, wird sich das angesichts der Drosselung des Verbrennungsluftmassenstroms an der luftseitigen Hauptdrosselklappe und oder einer zusätzlichen Expansionsmaschine im Verbrennungsluftmassenstrom oftmals zwangläufig ergeben, da die Druckverluste vom Austritt der Kompressionsmaschine bis zur Umgebung nur noch gering sind, speziell bei kleinem Frischluft- und somit auch Abgasmassenstrom durch die Kompressionsmaschine.
Es ist insbesondere vorteilhaft, die abgasseitige Kompressionsmaschine in Richtung eines Betriebs von Motorlasten unterhalb von 50%, insbesondere unterhalb von 20–30%, auszulegen oder vollständig auf Motorlasten aus diesem Bereich zu begrenzen. Diese Auslegungsart führt auf maßgeschneiderte Bauteile der Kompressionsmaschine und ggfs. der luftseitigen Turbine, mit geringen Spaltverlusten an den Turbinenschaufeln und geringer Trägheit des Systems bei einem Wechsel zu Volllast.
Eine besonders bevorzugte Auslegung sieht vor, als Auslegungskriterium den Luftmassenstrom bei Nennleistung zu verwenden, und die abgasseitige Kompressionsmaschine in Richtung eines Betriebs mit Abgasmassenströmen unterhalb von 50% des Abgasmassenstroms der Nennleistung, insbesondere unterhalb von 30–40% oder unterhalb von 15–20% der Nennleistung, auszulegen oder vollständig auf Abgasmassenströme aus diesem Bereich zu begrenzen.
Die Umschaltung von Betrieb mit eingeschalteter abgasseitiger Kompressionsmaschine auf hohe Motorlast kann beispielsweise durch ein abgasseitiges und/oder luftseitiges Bypasssystem erfolgen oder durch Abkoppeln des Laufrades des abgasseitigen Verdichters bzw. der luftseitigen Turbine.
Im Hinblick auf die erzielbare Kraftstoffeinsparung, die Vereinfachung der Regelung und die Bauteilkosten ist es insbesondere vorteilhaft, die abgasseitige Kompressionsmaschine mit einer verbrennungsluftseitigen Expansionsmaschine zu kombinieren.
Insbesondere ist es auch vorteilhaft, eine Auslegung des Gesamtsystems dahingehend vorzunehmen, dass die abgasseitige Kompressionsmaschine und/oder die verbrennungsluftseitige Expansionsmaschine nur für die Luft- und Abgasströme bei geringer Motordrehzahl und Motorlast vorgesehen sind und bei hoher Motordrehzahl und Motorlast mittels einer Bypassleitung umgehbar oder deaktivierbar sind. Das führt auf eine im Hinblick auf den Teillastbetrieb und die Begrenztheit der kraftstoffverbrauchsneutral verfügbaren Energiemengen auf ein gutes Kosten/Nutzenverhältnis und eine gute Dynamik beim Wechsel auf hohe Motorlast.
In Hinblick auf den Stadtverkehr bzw. den gesetzlichen Abgastest ist es insbesondere vorteilhaft, die abgasseitige Kompressionsmaschine bei Motordrehzahlen oberhalb 3000 1/min, wahlweise bereits ab einer Motordrehzahl von 2200–2600 1/min teilweise oder vollständig zu umgehen. Auch das stellt sicher, dass die Dynamik des Fahrzeugs außerhalb des Stadtverkehrs nicht leidet, die Vorteile aber im Abgastest weitgehend nutzbar sind.
Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist für Brennkraftmaschinen mit und ohne Aufladung geeignet.
Um eine möglichst kraftstoffeffiziente Ausgangssituation sicherzustellen, ist es besonders vorteilhaft von einer Brennkraftmaschine mit Turboaufladung auszugehen, beispielsweise gemäß 2 mittels eines Turboladers mit einem luftseitigen Turboverdichter (12) der über eine Welle (17w) von einer abgasseitigen Turbine (17) angetrieben wird.
Die abgasseitige Kompressionsmaschine (29) wird dann bevorzugt stromab der Turbine (17) angeordnet.
Auch bei Turboaufladung ist es ganz besonders vorteilhaft, zusätzlich eine verbrennungsluftseitige Expansionsmaschine (6) zu verwenden, welche der Verbrennungsluft technische Arbeit entzieht und für den Antrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) oder zur Beladung der Fahrzeugbatterie nutzt. Das erweitert den Bereich, in welchem die Expansionsmaschine (6) Nutzarbeit abgegeben kann, wenn die am Verdichter (12) des Turbos eingespeiste Energie das Druckgefälle an der Expansionsmaschine (6) erhöht.
Die abgasseitige Kompressionsmaschine (29) ist bevorzugt ein Turboverdichter und nur für den unteren Motorteillastbereich, insbesondere unterhalb 30–50% Motorlast, vorgesehen und wird bei hoher Motorlast oder zumindest bei hohem Abgasmassenstrom bevorzugt deaktiviert, beispielsweise indem die Kompressionsmaschine mittels eines Bypass umgangen wird. Alternativ kann zur Deaktivierung auch eine trennbare Kupplung für ein freies Drehen des Verdichterrades vorgesehen sein oder eine Bremse, die für den Stillstand des Verdichterrades sorgt. Dabei ist je nach Laufradgeometrie die Lösung zu bevorzugen, welche den Druckverlust des Verdichterrades bei hohen Abgasmassenströmen am wenigsten erhöht.
Es ist insbesondere vorteilhaft, stromauf der abgasseitigen Kompressionsmaschine einen Abgaswärmetauscher vorzusehen. Dies bewirkt, dass die Kompressionsarbeit, welche benötigt wird um den Abgasmassenstrom wider auf Umgebungsdruck anzuheben, reduziert wird.
Besonders bevorzugt erfolgt hierbei eine Abkühlung des Abgases auf Temperaturen unterhalb 100°C, insbesondere auf Werte unter 40–60°C, so dass die an der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) erforderliche Arbeit möglichst klein ausfällt.
Bei Bypassyystemen, die ohnehin auf die Anwendung bei nur relativ kleinen Luft- und Abgasmassenströmen in der Kompressions- bzw. Expansionsmaschine ausgelegt sind, wird es mit dem Abgaswärmetauscher möglich, dass angesichts der geringen Abgastemperatur an der luftseitigen Expansionsmaschine ähnlich viel Arbeit gewonnen wird, wie an der abgasseitigen Kompressionsmaschine benötigt wird. Die Abkühlung am Abgaswärmetauscher reduziert die Auswirkung der „Divergenz der lsobaren im Temperatur-Entropie-Diagramm (T-s-Diagramm) für Luft bzw. Abgas”, welche letztlich dafür verantwortlich ist, dass für die abgasseitige Kompression bei gleichen Referenzdrücken aber unterschiedlichen Ausgangstemperaturen bei der höheren Ausgangstemperatur eine erhöhte technische Arbeit zugeführt werden muss.
Mit der verbesserten Effizienz der Kompression aufgrund der Abgaskühlung wird eine ganz besonders starke Absenkung des Abgasdruckes stromab der Motorauslassventile realisierbar, und zwar selbst im permanenten Betrieb an ein und demselben Teillastpunkt, d. h. insbesondere auch ohne Rücksicht auf eine Energiezwischenspeicherung oder dergleichen.
Insbesondere ist es in der Motorteillast vorteilhaft, die an der luftseitigen Turbine (6) gewonnene technische Arbeit ohne Zwischenspeicherung vollständig an die abgasseitige Kompressionsmaschine (29) zu übertragen, beispielsweise über eine Welle (29w) oder eine direkte elektrische Kopplung ohne Zwischenspeicherung an einer Batterie. Das führt auf besonders einfach regelbare Systeme.
Die erfindungsgemäßen Varianten mit den Arbeitsmaschinen (6) und/oder (29) in schaltbaren Bypassleitungen sowie mit Abgaswärmetauscher sind hier ganz besonders vorteilhaft und liefern angesichts des guten Gesamtwirkungsgrades der in Richtung relativ kleiner Abgasmassenströme abgestimmten Einzelkomponenten auch ohne Zwischenspeicherung eine deutliche Kraftstoffeinsparung.
Es folgen einige stark vereinfachte energetische Betrachtungen an einem 4-Takt-Ottomotor mit 2,0 l Hubraum und einem Betriebspunkt bei einer Motordrehzahl von 1000 1/Min.
Die Umgebungstemperatur sei 25°C, der Umgebungsdruck 1,0 bar, der Druck im Saugrohr direkt stromauf der Motoreinlassventile sei 0,7 bar.
In grober Näherung zeigt ein solcher Motor bei isothermer Drosselung an der Drosselklappe von 1,0 bar auf 0,7 bar einen Frischluftmassenstrom von mpkt_L = (0,700·100000)/(287·(273 + 25)) kg/m³·1000/(2·60)·0,002 m³/s = 0,818 kg/m³·0,0166 m³/s = 13,6 g/s.
Die erfindungsgemäß anzustrebende isentrope Drosselung von 1,0 bar auf beispielsweise ebenfalls 0,7 bar entspricht einer nutzbaren spezifischen technischen Arbeit von a_t,exp = 1,0 kJ/kg K·(298 K – 298 K·(0,7/1,0)^0,2857) = 1,0 kJ/kg K·(298 K – 269,1 K) = 28,9 kJ/kg.
Mit dem Luftmassenstrom von 13,6 g/s ergibt sich damit eine am Laufrad verfügbare mechanische Leistung P_exp = 0,0136 kg/s·28,9 kJ/kg = 0,393 kW.
Unter der Annnahme, dass das Abgas den Motor in der Basis über einen Turbolader verlässt und im Abgasstrang dann ohne abgasseitige Kompressionsmaschine annähernd 1,0 bar und 500°C aufweist, können bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise die 0,393 kW an saugseitig gewonnener Leistung für den Antrieb einer abgasseitigen Kompressionsmaschine verwendet werden.
Die Temperatur stromab der abgasseitigen Kompressionsmaschine beträgt unter der stark vereinfachten Annahme a_t,exp = a_t,komp T_n,KM = T_v,KM + a_t,exp/c_p = (500 + 273) K + 28,9 kJ/kg/1,0 kJ/kgK = 801,9 K.
Mit der Randbedingung, dass stromab der abgasseitigen Kompressionsmaschine in etwa der Umgebungsdruck von 1,0 bar anliegen muss, entspricht das einem Absolutwert des Drucks vor der Kompressionsmaschine und damit in etwa auch stromab der Motorauslassventile von p_v,KM = ((500 + 273)/801,9)^(1/0,2857))·1,0 bar = 0,879 bar.
Diese vereinfachte Rechnung vernachlässigt zum einfacheren Verständnis bewusst die Masse des hinzugekommenen Kraftstoffes, die Wirkungsgrade beider Arbeitsmaschinen und instationäre/gasdynamische Effekte der in der Realität pulsierenden luft- und abgasseitigen Stromfäden. Die Terme des Totaldrucks der lokalen Strömungsgeschwindigkeiten u_i gemäß u_i ²/2 der gasdynamischen Energieerhaltungsgleichung sind wegen des an diesem Betriebspunkt im Vergleich zum Rohrdurchmesser geringen Luft- bzw. Abgasmassenstroms als relativ klein angenommen und deshalb vernachlässigt.
Für die hier angestrebten Aussagen ganz grundsätzlicher Art ist eine Berechnung unter obigen Annahmen hinreichend genau.
Legt man des weiteren isentrope Wirkungsgrade von jeweils 75–90% für jede der beiden Arbeitsmaschinen zu Grunde, was für Turboverdichter und Turbinen brauchbare Grenzwerte zur Berechnung des Gesamtwirkungsgrades beider Maschinen im Zusammenspiel sein dürften, ergibt sich ein noch etwas realistischeres Bild. Unter der relativ ungünstigen Annahme von 2 × 75% resultiert insgesamt noch immer ein Wirkungsgrad von etwa 50% (= 75%·75%).
Geht man daher davon aus, dass zumindest etwa 50% der ohne Verluste möglichen abgasseitigen Druckabsenkung, d. h. etwa 60 mbar (= (1 – 0,879) bar·50%), direkt stromab der Motorauslassventile anliegen und die Kolbenarbeit des Ausschiebens herabsetzen, so lässt dies eine durchaus signifikante Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erwarten.
Eine ebenfalls sehr stark vereinfachte Weiterführung der Abschätzung liefert für den Wert der Druckabsenkung von 60 mbar einen Unterschied in der Ladungswechselarbeit während des Ausschiebens von: dP_LW,a = (0,060·100000) N/m²·1000/(2·60)·0,002 m³/s = 100 Nm/s = 100 W.
Da diese Ausschiebearbeit an einer herkömmlichen Brennkraftmaschine durch die Kurbelwelle aufgebracht werden muss, ist hierfür ohne die erfindungsgemäße Vorgehensweise ein Mehrverbrauch in Form von Kraftstoff anzusetzen, der mittels des inneren Wirkungsgrades der Verbrennung abgeschätzt werden kann. Im angegebenen Bereich des Luftmassenstroms und der Motordrehzahl liegt dieser bei vergleichbaren Ottomotoren üblicherweise im Bereich 15–30%.
Das heißt, ein um dP_LW,a = 100 W reduzierter Wert der Ladungswechselarbeit während des Ausschiebens bedeutet für den Unterschied im Primärenergieaufwand in Form von Kraftstoff etwa Werte von dQpkt_Kst(dP_LW,a = 100 W, eta_i = 30%) = 100 W/0,30 = 333,3 W bis dQpkt_Kst(dP_LW,a = 100 W, eta_i = 15%) = 100 W/0,15 = 666,7 W.
Aus dem als stöchiometrisch angenommenen Betrieb der Verbrennung resultiert unter der Annahme von Werten für das Kraftstoffluftverhältnis von ca. 14 und den unteren Heizwert von ca. 42000 kJ/kg für Ottokraftstoff ein Einsatz von Kraftstoff mit dem Energie- bzw. Leistungsäquivalent von Qpkt_Kst = ((13,6·0,001)kg/s/14)·42000 kJ/kg = 40,8 kW.
Mit Bezug auf den NEFZ ist für einen modernen Ottomotor mit 2 l Hubraum ein momentaner Primärenergiebedarf von 40,8 kW bereits ein relativ hoher Wert, der in den 4 ECE-Zyklen des NEFZ nur bei Beschleunigungsvorgängen gelegentlich erreicht oder überschritten wird. Im Mittel liegen während der 4 ECE-Zyklen des NEFZ, d. h. ca. die ersten 13 Minuten des 20-minütigen NEFZ, je nach Motorauslegung nur ca. 14–18 kW Primärenergieeinsatz in Form von Ottokraftstoff an.
Diese Zahlenwertangabe von 14–18 kW lässt sich insbesondere anhand der in Verkaufsunterlagen für Pkw üblichen Kraftstoffverbrauchsangaben in l/100 km über eine entsprechende Umrechnung mit dem unteren Heizwert, der Kraftstoffdichte sowie der Dauer bzw. mittleren Fahrgeschwindigkeit des NEFZ bzw. der 4 ECE-Zyklen (= Stadtverbrauch) für jedermann anhand öffentlich zugänglicher Pkw-Verkaufsunterlagen bestätigen.
Gegenüber dem letztlich primär interessierenden Kraftstoffverbrauch im NEFZ bzw. in den 4 ECE-Zyklen ist die nachfolgende prozentuale Abschätzung der erzielbaren relativen Kraftstoffeinsparung lediglich als Momentanwert unter bewusst relativ ungünstig gewählten Bedingungen mit 40,8 kW Primärenergieeinsatz zu sehen. Eine Kraftstoffeinsparung von 333,3 bzw. 666,7 W entspricht bereits bei diesen vergleichsweise ungünstigen Bedingungen am angegebenen Betriebspunkt mit 1000 1/min und 0,7 bar Saugrohrabsolutdruck einer relativen Einsparung von 0,3333/40,8 = 0,82% bzw. 0,6667/40,8 = 1,63%.
In anderen Betriebspunkten größeren Saugrohrunterdrucks ist das Kraftstoffeinsparpotential entsprechend größer. Je nach Motor liegt der Saugrohrunterdruck im NEFZ auch bei hochmodernen Ottomotoren mit Turboaufladung, variablen Ein- und Auslassnockenwellen inklusive Down-Sizing und Down-Speeding noch sehr häufig, wenn nicht sogar vorwiegend, bei Absolutdruckwerten zwischen 0,25–0,60 bar.
Angesichts der oben angegebenen Mittelwerte von 14–18 kW Primärenergieeinsatz in den ersten 13 Minuten NEFZ ist dies bei vielen Motoren zur Einstellung eines hinreichend kleinen Luftmassenstroms zumindest der Fall, solange stöchiometrische Verbrennung angestrebt wird und extrem aufwändige voll variable Ventiltriebe, wie beispielsweise das Fiat Multi-Air-System zur drosselfreien Laststeuerung, vermieden werden sollen.
Insbesondere gilt für typische Ottotoren heutiger Bauart i. a. die Regel, je besser der Kraftstoffverbrauch, desto kleiner werden der im NEFZ erforderliche Frischluftmassenstrom und der Saugrohrabsolutdruck, gefolgt von größer werdenden Ladungswechselverlusten pro kg Frischluft.
Liegt z. B. bei der gleichen Motordehzahl von 1000 1/min nur ein Saugrohrabsolutdruck von 0,25 bar an, so liefern die obigen Gleichungen mpkt_L = (0,250·100000)/(287·(273 + 25))kg/m³·1000/(2·60)·0,002 m³/s = 0,292 kg/m³·0,0166 m³/s = 4,85 g/s, a_t,exp = 1,0 kJ/kgK·(298 K – 298 K·(0,25/1,0)^0,2857) = 1,0 kJ/kgK·(298 K – 200,5 K) = 97,5 kJ/kg, P_exp = 0,00485 kg/s·97,5 kJ/kg = 0,473 kW, T_n,KM = T_v,KM + a_t,exp/c_p = (500 + 273)K + 97,5 kJ/kg/1,0 kJ/kgK = 870,5 K, p_v,KM = ((500 + 273)/870,5)^(1/0,2857))·1,0 bar = 0,660 bar.
Geht man wieder davon aus, dass zumindest etwa 50% der ohne Verluste möglichen abgasseitigen Druckabsenkung, d. h. etwa 170 mbar (=(1 – 0,660)bar·50%), direkt stromab der Motorauslassventile anliegen und die Kolbenarbeit des Ausschiebens herabsetzen, ergibt sich in Analogie zu obiger vereinfachter Rechnung ein Unterschied in der Ladungswechselarbeit während des Ausschiebens von dP_LW,a = (0,170·100000)N/m²·1000/(2·60)·0,002 m³/s = 283,3 Nm/s = 283,3 W und es folgen die weiteren Größen dQpkt_Kst(dP_LW,a = 283,3 W, eta_i = 30%) = 283,3 W/0,30 = 944,3 W bis dQpkt_Kst(dP_LW,a = 283,3 W, eta_i = 15%) = 283,3 W/0,15 = 1888,7 W sowie Qpkt_Kst = ((0,00485·0,001)kg/s/14)·42000 kJ/kg = 14,6 kW.
Eine Kraftstoffeinsparung von 944,3 bzw. 1888,7 W entspricht bei diesen, zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleichsweise günstigen Bedingungen mit dem Betriebspunkt 1000 1/min und 0,25 bar Saugrohrabsolutdruck, einer relativen Einsparung von 0,9443/14,6 = 6,47% bzw. 1,8887/14,6 = 12,94%.
Auch wenn bei all diesen Berechnungen starke Vereinfachungen eingeflossen sind, u. a. weil die Instationarität der Strömung, die Ventilüberschneidung und die Restgasmenge nicht berücksichtigt werden, sind diese mehr als ausreichend genau, um das überraschend hohe Kraftstoffeinsparpotential der vergleichsweise einfach in die Praxis umsetzbaren erfindungsgemäßen Vorgehensweise zu belegen.
Angesichts der tiefen Lufttemperaturen von beispielsweise 200,5 K stromab der luftseitigen Turbine (6) sind unter Umständen Zusatzmaßnahmen gegen Vereisung zu treffen.
Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, eine Position der Turbine (6) stromab eines mit teilerwärmtem Kühlmittel temperierten Ladeluftkühlers zu wählen und/oder über ein Motorsteuerungskriterium zur Charakterisierung der Vereisungsgefahr, insbesondere die Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsfeuchte, bei möglicher Vereisungsgefahr eine temporäre Begrenzung auf eine reduzierte Druckabsenkung (kleinere technische Arbeit) an der Turbine (6), z. B. mittels Schließens der Hauptdrosselklappe (14) bzw. Öffnens eines Bypass zur Turbine (6) vorzunehmen. Insbesondere ist es vorteilhaft, mit dem Motorkühlmittel eine Temperierung der vereisungskritischen Leitungen und/oder Komponenten im Ansauluftbereich vorzunehmen, insbesondere der Hauptdrosselklappe (14) und der luftseitigen Turbine (6).
Insbesondere ist es zur Vermeidung zu tiefer lokaler Temperaturen im Ansaugluftbereich vorteilhaft, der Ansaugluft extern rückgeführtes Abgas zuzumischen und damit die maximale Temperaturabsenkung auf unkritische Werte zu begrenzen.
Als besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, einen Abgaswärmetauscher (22) stromauf der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) vorzusehen, der das Abgas vor der Kompression herunterkühlt. Das reduziert die Kompressionsarbeit ganz erheblich bzw. bei gegebener Kompressionsarbeit den erreichbaren Unterdruck stromab der Motorauslassventile.
Für den oben bereits betrachteten Betriebspunkt mit 1000 1/min, 0,7 bar Absolutdruck im Saugrohr und 500°C Abgastemperatur liefert eine Absenkung der Abgastemperatur auf beispielsweise 50°C vor der Kompressionsmaschine die folgenden Werte T_n,KM = T_v,KM + a_t,exp/c_p = (50 + 273)K + 28,9 kJ/kg/1,0 kJ/kgK = 351,9 K, gegenüber einem Wert von 801,9 K bei 500°C Eintrittstemperatur in die Kompressionsmaschine.
Der Absolutwert des Drucks vor der Kompressionsmaschine und damit in etwa auch stromab der Motorauslassventile beträgt dann p_v,KM = ((50 + 273)/351,9)^(1/0,2857))·1,0 bar = 0,741 bar, gegenüber einem Wert von 0,879 bar bei 500°C Eintrittstemperatur.
Geht man wieder davon aus, dass zumindest etwa 50% der ohne Verluste möglichen abgasseitigen Druckabsenkung, d. h. etwa 130 mbar (=(1 – 0,741)bar·50%), direkt stromab der Motorauslassventile anliegen und die Kolbenarbeit des Ausschiebens herabsetzen, ergibt sich in Analogie zu obiger vereinfachter Rechnung ein Unterschied in der Ladungswechselarbeit während des Ausschiebens von dP_LW,a = (0,130·100000) N/m²·1000/(2·60)·0,002 m³/s = 216,7 Nm/s = 216,7 W, und es folgen die weiteren Größen dQpkt_Kst(dP_LW,a = 216,7 W, eta_i = 30%) = 216,7 W/0,30 = 722,3 W bis dQpkt_Kst(dP_LW,a = 216,7 W, eta_i = 15%) = 216,7 W/0,15 = 1444,7 W, Qpkt_Kst = ((0,0136·0,001) kg/s/14)·42000 kJ/kg = 40,8 kW.
Eine Kraftstoffeinsparung von 722,3 bzw. 1444,7 W entspricht bei diesen, zur Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens vergleichsweise ungünstigen Bedingungen, mit dem Betriebspunkt 1000 1/min und 0,70 bar Saugrohrabsolutdruck einer relativen Einsparung von 0,7223/40,8 = 1,77 % bzw. 1,4447/40,8 = 3,54%. Diesen Werten mit Abgaskühlung auf 50°C stehen Werte bei 500°C ohne Abgaskühlung von 0,3333/40,8 = 0,82% bzw. 0,6667/40,8 = 1,63% gegenüber.
Die starke Kühlung des Abgases von 500°C auf 50°C führt also in etwa auf eine Verdoppelung der Kraftstoffeinsparung, was die erfindungsgemäße Variante mit Abgaswärmetauscher besonders attraktiv macht, insbesondere wenn die maximale Reduktion des Kraftstofferbrauchs gegenüber den Kosten im Vordergrund steht und/oder ein Abgaswärmetauscher zusätzlich zur schnelleren Erwärmung des Motorkühlmittels verwendet werden soll.
Es dürfte klar sein, dass die obigen Zahlenwerte und Berechnungen lediglich exemplarisch zeigen sollen, wie eine mögliche Ausführung der Erfindung erfolgen kann, ohne dass diese auf die angegebenen Zahlenwerte und Eckpunkte begrenzt wäre.
Die weitere Beschreibung der Erfindung anhand der 1 sowie 3–13 betrifft Ausgestaltungen und Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens einschließlich weitere Verfahrensvarianten.
Auch hier handelt es sich um beispielhafte Layouts des Ladeluft- und Abgassystems, ohne dass die Erfindung auf solche Layouts beschränkt ist.
2 zeigt als Ausgangssystem das Layout des Ladeluft- und Abgassystems einer Brennkraftmaschine, wie es in gleicher oder zumindest ähnlicher Form bereits bekannt ist. Es entspricht im wesentlichen zahlreichen modernen Ottmotoren heutiger Bauart.
Die Luft wird gemäß 2 über den Lufteintritt (1) aus der Umgebung angesaugt, führt durch die Ansaugleitung (3), den Luftfilter (2), den Turboverdichter (12) eines Turboladers (Teile 12, 17w, 17), den Ladeluftkühler (13) und die zur Luftmassenstromregelung verwendete Drosselklappe (14) zu den nicht gezeigten einzelnen Ansaugkanälen des Saugrohrs und der einzelnen Zylinder zu den Motoreinlassventilen, die im geöffneten Zustand ein Einströmen der Luft in den Brennraum der Brennkraftmaschine (15) ermöglichen.
Der Verbrennungsluftmassenstrom, d. h. der Luftmassenstrom der letztlich durch die Brennkraftmaschine strömt wird im wesentlichen über die Drosselklappe (14) geführt, welche sicherstellt, dass für einen gegebenen Punkt der Motorlast und Motordrehzahl nicht zuviel Luft einströmt.
Der Verbrennungsluftmassenstrom wird (durch einen nicht gezeigten Luftmassenstrommesser, z. B. basierend auf einem Hitzdraht- oder Heizfilm-Anemometer oder in jüngster Zeit wieder mehr mit druck- und temperaturbasierten Sensoren) von der Motorsteuerung gemessen und permanent ausgewertet und abgeglichen.
Der Bereich vom Lufteintritt (1) bis zu den Motoreinlassventilen wird nachfolgend als Luft- oder Saugseite bezeichnet.
Außerdem sei darauf hingewiesen, dass heutige Motoren in der Regel noch eine Tankentlüftungsleitung enthalten, die den Verbrennungsluftmassenstrom temporär durch eine relativ kleine Masse aus Kraftstoff und Luft aus dem Kraftstofftank mitbestimmen kann. Ebenso kann eine externe Abgasrückführung vorgesehen sein, die je nach Bedarf den Verbrennungsluftmassenstrom durch einen Abgasanteil verdünnt. Auf die Darstellung dieser Merkmale wird hier bewusst verzichtet, ohne dass das zwingend für die Nutzung Erfindung wäre.
Vom Brennraum der Brennkraftmaschine (15) führt die Abgasströmung über die Motorauslassventile, den Auslasskrümmer und eine erste Abgasleitung (16a) zur Turbine (17) des Turboladers (Teile 17, 17w, 12) über den Schalldämpfer mit Katalysator (19k) die Abgasleitung (25) zum Austrittsschalldämpfer (33) und von dort über den Austritt (34) in die Umgebungsluft.
Die Turbine (17) ist mit einer Bypassleitung (16b) und einem regelbaren Ventil (18) (Waste-Gate) umgehbar, gegebenenfalls ist das Regeln des Ventils (18) mit einem nicht gezeigten Umluftventil bzw. Kurzschlussventil am Verdichter (12) in Wechselwirkung.
Die hier gezeigte Brennkraftmaschine (15) kann beispielsweise ein heute bei Pkw sehr weitverbreiteter, im Hinblick auf den Kraftstoffverbrauch bereits hocheffizienter, 4-Zylinder Ottomotor sein, der mit Turboaufladung, Lambda = 1-Verbrennung, Direkteinspritzung und mit variabler Ein- und/oder Auslassnockenwellenverstellung ausgerüstet ist.
Es kann aber auch ein wesentlich einfacherer Ottomotor sein, wie er je nach Markt auch heute noch in großen Stückzahlen verkauft wird.
Dass das keine Beschränkung der Erfindung auf Ottomotoren oder gar einen Lambda = 1-Betrieb bedeuten soll, sei an dieser Stelle nochmals wiederholt, ebenso wenig wie eine Beschränkung auf Turbomotoren.
1 zeigt, aufbauend auf dem bekannten System nach 2, eine erste Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In die Abgasleitung ist ein Turboverdichter als Kompressionsmaschine (29) eingebaut, die dem Abgas technische Arbeit zuführt, welche sie der Ansaugluft mittels der Turbine (6) entzogen hat. Da der Austrittsschaldämpfer (33) und die Abgasleitungen (16a/16b, 20a, 25, 34) für die hohen Volumenströme der Volllast ausgelegt sind, erzeugen diese bei relativ kleinem Abgasmassenstrom kaum einen Druckverlust. Das bedeutet, dass der abgasseitige Turboverdichter (29) austrittsseitig annähernd den Umgebungsdruck annimmt und eintrittsseitig einen Unterdruck aufbaut.
Diese aktive Druckabsenkung durch die Zufuhr technischer Arbeit wirkt stromauf bis zum Abgaskrümmer und den Motorauslassventilen. Bei geöffneten Motorauslassventilen wird hierdurch die Ladungswechselarbeit des Ausschiebens reduziert.
In der Regel wird durch den reduzierten Druck auch die Restgasmenge des bei wieder geschlossenen Motoreinlassventilen im Brennraum verbliebenen Gases reduziert. Dieses wiederum führt in der Regel auf eine etwas weiter geschlossene Stellung der Drosselklappe (14). Beim Betrieb mit Ventilüberschneidung der Motorein- und -auslassventile wird die Rückwirkung auf die Saugseite noch etwas größer.
In Summe ergibt sich für die Ladungswechselarbeit des Ansaugens und des Ausschiebens jedoch die bereits beschriebene Reduktion, mit der Folge eines verbesserten Kraftstoffverbrauchs.
In 1 ist die luftseitige Turbine (6) in einem Bypasszweig (5b) zur Hautströmungsleitung (5a) angeordnet, welche mit einem Ventil (4a) eine Regelung/Umschaltung auf erhöhten/ungedrosselten Luftmassenstrom vornehmen kann. Das verbessert die Dynamik beim Umschalten von Motorteillast auf Motorvolllast.
Zur weiteren Verbesserung der Dynamik ist es insbesondere vorteilhaft, die entsprechenden Bauteile (5a mit Ventil 4a und Bypass 5b mit Turbine 6) an eine Position weiter stromab in Richtung Motoreintritt zu positionieren, beispielsweise an eine Position unmittelbar stromauf oder stromab der Drosselklappe (14).
Insbesondere ist es vorteilhaft, das Regelventil bzw. Waste-Gate (18) des Bypass (16b) zu Umgehung der Turbine (18) des Turboladers bei sehr kleiner Motorlast und/oder im Motorleerlauf zu öffnen, um eine ganz besonders starke Druckabsenkung vor den Motorauslassventilen zu erzielen und möglichst viel Kraftstoff einzusparen.
Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Nockenwellenverstellung der Ein- und/oder Auslassnocken vorzusehen, die die Ventilüberschneidung bei Bedarf an möglichst wenig Restgas minimiert oder völlig beseitigt. In diesem Fall übernimmt die saugseitige Energiegewinnung über die Turbine (6) die Aufgabe, zur Verbesserung der Energieeffizienz möglichst viel technische Arbeit von der Frischluftseite auf den Verdichter (29) auf der Abgasseite zu übertragen.
Insbesondere ist es Kraftstoffverbrauchsgründen vorteilhaft oder aus NOx-Emissionsgründen erstrebenswert, eine Verstellung der Motorein- und/oder Motorauslasssteuerzeiten vorzusehen, die einen höheren Zielwert an Restgas einstellt, als es dem reduzierten Abgasgegendruck entspricht. Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, die Auslassventile vor dem oberen Totpunkt zu schließen, und zwar bevorzugt derart, dass der Kolben nach dem Schließen der Motorauslassventile einen Teil des Restgases komprimiert und nach dem oberen Totpunkt wieder expandiert, bevor die Motoreinlassventile öffnen. In einer ähnlichen vorteilhaften Vorgehensweise sind dabei auch die Motoreinlassventile derart angesteuert, dass es bei der Kolbenbewegung nach oben und bereits geschlossenen Motorauslassventilen zum vorübergehenden Ausströmen geeigneter Abgasmengen in das Saugrohr kommt, die anschließend wieder weitgehend angesaugt werden.
Diese Maßnahmen führen über den erhöhten Restgasgehalt zu einem Teilbeitrag bezüglich der Reduktion der Ladungswechselverluste.
Insbesondere ist es vorteilhaft, mit dieser Vorgehensweise ungewollt tiefe Lufttemperaturen stromab der Turbine (6) zur vermeiden.
Umgekehrt ist die Abstimmung des Systems nach 1 in Richtung einer schadstoffoptimalen Lufteintrittstemperatur, insbesondere einer sehr tiefen Lufttemperatur zur Minimierung der NOx-Emission, als weiteres vorteilhaftes Verfahrensmerkmal nutzbar.
Insbesondere ist es hierbei vorteilhaft, mit der an der Turbine (6) entzogenen technischen Arbeit die Brenngastemperaturen zu Motoreinlassventilschluss selbst dann noch zu senken, wenn vergleichbare Restgasmengen vorliegen.
Ohne die obigen Strategien zur Anhebung der Restgasmenge ist es speziell bei relativ geringem Luftbedarf vorteilhaft, Frischgastemperaturen, von 10–100 K unterhalb der Umgebungstemperatur einzustellen und mit der minimierten Restgasmenge zur endgültigen Gastemperatur im Brennraum zu Beginn der Verdichtung zu mischen.
Insbesondere ist es vorteilhaft diese Vorgehensweise mit den obigen Strategien zur Anhebung der Restgasmenge zu kombinieren, insbesondere um die Zielwerte für den Kraftstoffverbrauch und die NOx-Emission zu erreichen.
Insbesondere ist dieser Weg zur Absenkung und bedarfsgerechten Anpassung der Frischgastemperatur von einer sehr hohen Dynamik gekennzeichnet, da er sehr schnell über die Restgasmenge und/oder das Einschalten/Deaktivieren der beiden Arbeitsmaschinen (29, 6) erfolgen kann. Dafür ist insbesondere eine motornahe Einbindung der Turbine (6) sehr vorteilhaft. Das macht diese Methode zur Ansauglufttemperaturabsenkung auch für solche Brennkraftmaschinen interessant, die mit Luftüberschuss arbeiten, insbesondere für Dieselmotoren mit Problemen mit dem Einhalten der NOx-Kriterien.
Die unterschiedlichen Strichstärken der Leitungen 5a und 5b in 1 stehen symbolisch für eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung in Richtung stark unterschiedlicher Zielwerte des maximalen Luftmassenstroms beider Strömungspfade. Die Auslegung der Turbine (6) unter Begrenzung auf Luftmassenströme mit relativ kleinen Werten ermöglicht eine verbesserte Dynamik der Reglung und vor allem einen besonders hohen isentropen Wirkungsgrad der für einen engeren Durchflussbereich angepassten Turbine (6).
Insbesondere ist es vorteilhaft, das Optimum des Verdichterwirkungsgrades der Turbine (6) auf einen Wert des Luftmassenstroms unterhalb von 20–30 g/s pro Liter Hubraum der Brennkraftmaschine zu legen, insbesondere auf einen Wert aus dem Bereich 5–18 g/s oder 3 bis 10 g/s pro Liter Hubraum der Brennkraftmaschine. Insbesondere ist es vorteilhaft, die Expansionsmaschine (6) und/oder die Kompressionsmaschine (29) auszuschalten, wenn der Luftmassenstrom diese Werte um mehr als 50% oder um mehr als 20–40% überschreitet.
Diese Auslegungskriterien sind für die erfindungsgemäße Variante nach 1 und sehr viele der bereits beschriebenen und noch folgenden erfindungsgemäßen Varianten deshalb besonders vorteilhaft, weil sie den Sachverhalt reflektieren, dass für die abgasseitige Kompressionsmaschine (29) in der Regel nur eine stark begrenzte Energiemenge kraftstoffverbrauchsneutral zur Verfügung steht, diese seitens der Kompressionsmaschine (6) nur in der Motorteillast verfügbar ist, und eine Überdimensionierung und Wirkungsgradverluste der Bauteile vermieden werden sollen. Auch die Tatsache, dass die Erfindung gerade im NEFZ bzw. im Stadtverkehr einen Kraftstoffverbrauchsvorteil bringen soll, ist in diesen Auslegungskriterien enthalten.
Bei hoher Motorlast und somit hohem Abgasmassenstrom stellt der Verdichter (29) in 1 u. U. einen ungewollten Strömungswiderstand dar, so dass es vorteilhaft ist, hier Sekundärmaßnahmen zu ergreifen, beispielsweise einen Bypass.
Die relativ kleine luftseitige Turbine (6) hat hier den Vorteil, dass der frei im Abgas drehende Verdichter (29) weniger stark gebremst wird, so dass das in der Regel schon ausreicht um den Druckverlust des Verdichters bei hoher Motorlast in zulässigen Grenzen zu halten.
Eine weitere Verbesserung sieht darüber hinaus vor, die Kopplung des abgasseitigen Verdichters (29) mit der luftseitigen Turbine (6) über die Antriebswelle (29w) bei hoher Motorlast aufzuheben.
Alternativ kann der abgasseitige Verdichter (29) auch strömungsmechanisch so ausgelegt werden, dass ein vollständiges Bremsen des Verdichterrades den Druckverlust auf zulässige Werte absenkt. Das behebt auch potentielle Probleme mit zu hoher Drehzahl bei sehr hohem Abgasmassenstrom.
Hierzu ist es insbesondere vorteilhaft, den abgasseitigen Verdichter (29) als Axialverdichter auszugestalten.
3 zeigt eine der 1 ganz ähnliche Vorgehensweise, wobei der abgasseitige Verdichter (29) in einer Bypassleitung (20b) zur Hauptabgasleitung (20a) angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass er bei Motorvolllast und relativ hoher Motordrehzahl, d. h. bei relativ hohem Abgasmassenstrom bzw. erhöhtem Abgasgegendruck, nicht stören kann.
Bevorzugt werden für die Bypassleitung (20b) kleinere Querschnitte und Volumenströme zu Grunde gelegt als für die Hauptabgasleitung (20a), und die Größen der beiden Arbeitsmaschinen (6) und (29) aufeinander abgestimmt, und zwar in Richtung vergleichsweise kleiner Luft- bzw. Abgasmassenströme.
Die Auslegung des Verdichters (29) unter Begrenzung auf Luftmassenströme mit relativ kleinen Werten ermöglicht eine verbesserte Dynamik der Reglung und vor allem einen besonders hohen isentropen Wirkungsgrad des für einen engeren Durchflussbereich angepassten Verdichters.
Insbesondere ist es auch hier vorteilhaft, das Optimum des isentropen Verdichterwirkungsgrades des Verdichters (29) auf einen Wert des Abgasmassenstroms unterhalb von 20–30 g/s pro Liter Hubraum der Brennkraftmaschine zu legen, insbesondere auf einen Wert aus dem Bereich 5–18 g/s oder 3 bis 10 g/s pro Liter Hubraum der Brennkraftmaschine.
Insbesondere ist es auch bei 3 vorteilhaft, die Expansionsmaschine (6) und/oder die Kompressionsmaschine (29) auszuschalten, wenn der Luftmassenstrom diese Werte um mehr als 50%, insbesondere oder um mehr als 20–40%, überschreitet.
Ein weiterer Vorteil besteht bei der Konfiguration nach 3 darin, dass der Verdichter (29) durch das Öffnen des Ventils (21a) im Hauptabgasstrang (20a) weitgehend abschaltbar ist und somit von der Motorsteuerung vor Überhitzung geschützt werden kann. Gegebenenfalls kann hier auch ein zusätzliches Abschaltventil in der Abgasbypassleitung (20b) vorgesehen werden und schließen. Damit kann ein weitaus weniger temperaturfester und preiswerterer Stahl für das Verdichterrad des Verdichters (29) vorgesehen werden, als dies beispielsweise für die Turbine (17) des Turboladers erforderlich ist.
Deshalb ist es zur Kosteneinsparung durch preiswertere Legierungen insbeosndere vorteilhaft, wenn der Verdichter (29) für maximale Abgastemperaturen ausgelegt wird, die mehr als 200 K unter der Abgastemperatur liegt, für die eine vorgelagerten Turbine (17) eines Turboladers ausgelegt ist und/oder unterhalb 950°C oder unterhalb 600–850°C liegt.
Wenn insbesondere ein Abgaswärmetauscher (22) stromauf des Verdichters (29) die Abgase abkühlt, so sind ist einen Auslegung auf noch kleinere Abgastemperaturen von beispielsweise 200–500°C oder gar 100–200°C vorteilhaft, u. a. weil dann noch preiswertere Legierungen für das Gehäuse und die Anbauteile und/oder Aluminium- und/oder Titanaluminium-Legierungen für geringe Trägheit und hohe Drehzahlen der Laufräder verwendbar werden.
Eine besonders vorteilhafte Konfiguration mit Abgaskühlung zeigt 4, mit dem Abgaswärmetauscher (22), welcher über ein Ventil (21b) abschaltbar und gegebenenfalls auch regelbar ist, dem Abgas Wärme entzieht und über die Kühlmittelanschlüsse 24, 23 an das Motorkühlmittel oder eine sonstige Wärmesenke abführt.
Von ganz besonderem Vorteil ist es, die starke Abkühlung des Abgases mit der Verwendung von Aluminium und/oder Titanlegierungen als Verdichterlaufradmaterial der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) zu kombinieren, d. h. Materialien, wie sie für Verdichterlaufräder von Turboladern auf der Luftseite üblich sind, für heiße Abgase aber normalerweise unbrauchbar. Besonders geeignet sind hier solche Legierungen, die bereits für Niederdruck-EGR-Systeme in Dieselmotoren im Hinblick auf die Verträglichkeit mit Abgas erprobt sind.
Die bevorzugte Begrenzung der Ausgestaltung der Bauteile in Richtung relativ kleiner Luft- und Abgasmassenströme erfolgt dabei so, dass ohne allzu großen Aufwand zumindest im unteren Bereich des Abgasdurchflusses sehr geringe Abgasaustrittstemperaturen aus dem Abgaswärmetauscher (22) erreichbar sind.
Insbesondere ist es hier vorteilhaft, die Wärmeübertragungsleistung des Abgaswärmetauschers so zu dimensionieren, dass die Abgasaustrittstemperatur bei einem Wert des Abgasmassenstroms unterhalb von 20–30 g/s pro Liter Hubraum der Brennkraftmaschine der Brennkraftmaschine stets unterhalb 200°C bleibt.
Insbesondere ist vorteilhaft, die Wärmeübertragungsleistung des Abgaswärmetauschers so zu dimensionieren, dass die Abgasaustrittstemperatur bei einem Wert des Abgasmassenstroms aus dem Bereich 5–18 g/s oder 3 bis 10 g/s pro Liter Hubraum der Brennkraftmaschine die Motorkühlmitteltemperatur nicht um mehr als 30°C übersteigt. Das stellt in weiten Bereichen des Stadtverkehrs und des NEFZ sicher, dass die Abgastemperatur nur wenig oberhalb der durch die Kühlmitteltemperatur gegebenen Grenze steigt und eine maximale Wirkung des Verdichters (29) in Richtung hoher Druckabsenkung und Kraftstoffeinsparung erreichbar ist.
5 zeigt ein zu 1 analoges Ausführungsbeispiel, bei welchem an Stelle der Kopplung der beiden Arbeitsmaschinen über die Welle 29w eine el. Kopplung erfolgt, indem die Turbine (6) einen Generator (7) antreibt, welcher über die Generatorsteuerung (9) eine Batterie (11) lädt. Über die gemeinsamen Leitungen (10a, 10b) zur Batterie stellt die Verdichterantriebsmotorsteuerung (31) bei Bedarf die Kopplung her und/oder bezieht die Leistung direkt aus der Batterie. Durch diese Trennung der beiden Arbeitsmaschinen ergeben sich Vorteile bei der Wahl der Einbauposition und bei der Regelung.
Insbesondere wird damit die Turbine (6) in vorteilhafter Weise relativ nahe an die Motoreintrittsventile verlegt und damit das bei einem Wechsel auf hohe Motorlast zu befüllende Saugrohrvolumen minimiert, was eine besonders schnelle Lastannahme sicherstellt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, den abgasseitigen Verdichter (29) relativ nahe des Abgasaustritts (34) anzuordnen. Das bewirkt relativ kalte Abgase und eine reduzierte Antriebsleistung für einen gegebenen Zielwert des Unterdruckes. Eine solche Anordnung weist des weiteren ein relativ großes Volumen mit Unterdruck stromab der Motorauslassventile auf, was eine wünschenswerte Dämpfung der Druckschwankungen bei kurzfristig erhöhter Last bewirkt.
Auch für den schnellen Wechsel auf Motorvolllast ist eine solche Anordnung vorteilhaft, da bei Einleitung der Volllast zunächst sogar noch ein Unterdruck im Abgassystem anliegt.
Hinzu kommt die vorteilhafte Möglichkeit, den Elektromotor des Verdichters auch bei der Volllastbeschleunigung einzuschalten, insbesondere bei noch geringer Motordrehzahl der Brennkraftmaschine. Das zielt dann angesichts des hohen Leistungsbedarfs bei hohen Abgasmassenströmen jedoch weniger in Richtung einer Kraftstoffersparnis als in Richtung einer höheren Motorleistung und ist bevorzugt nur sehr kurzzeitig einzusetzen.
6 zeigt exemplarisch die analoge Vorgehensweise mit el. Kopplung von Turbine (6) und Verdichter (29) relativ zu 4, d. h. unter Berücksichtigung eines Abgaswärmetauschers 22 und der Vorteile eines Bypasszweigs 20b mit Abschalt- bzw. Regelventilen (21a, 21b).
Aus energetischen Gesichtspunkten ist die Kombination der Turbine (6) und des Verdichters (29) in 5 und 6 sehr günstig und zu bevorzugen, ohne dass die Erfindung auf Brennkraftmaschinen mit der Kombination beider Arbeitsmaschinen begrenzt wäre.
Der maßgebliche erfindungsgemäße Gedanke, Aufwand in Form zusätzlicher Arbeitsmaschinen (6) und (29) zu investieren, und damit letztlich dafür zu sorgen, dass im Brennraum bei gegebener Fahrgeschwindigkeit bzw. gegebener Motordrehzahl und Motorlast ein kleinerer indizierter Mitteldruck ausreicht und weniger Kraftstoff verbraucht wird, liefert auch bereits Vorteile, wenn nur eine der beiden Arbeitsmaschinen (6) oder (29) verbaut wird.
Ein solches Beispiel ist in 7 gezeigt, welche aus 6 durch Weglassen des Verdichters (29) hervorgeht. Die Turbine (6) treibt den Generator (7) und lädt damit einen Energiespeicher (11), insbesondere die Fahrzeugbatterie, und zwar mit Energie, die ansonsten in Form einer Drosselung an der Drosselklappe (14) in Form von Wärme dissipiert würde.
Hier ist es insbesondere vorteilhaft, mit der gewonnenen el. Energie die Fahrzeugbatterie zu beladen, so dass eine Lichtmaschine, welche die Fahrzeugbatterie im Normalbetrieb unter Belastung des Antriebsmotors belädt, entlastet wird.
Das hat jedoch speziell im NEFZ oder vergleichbaren Fahrsituationen in der Stadt ganz erhebliche Grenzen der Nutzbarkeit, da dort nur ein vergleichsweise geringer Bedarf an el. Energie besteht, was die Konfiguration nach 7 für sich alleine gesehen ohne Zusatzmaßnahmen für viele heutige Fahrzeuge unrentabel macht. Zur Überwindung dieses Problems ist insbesondere die in 5 und 6 gezeigte Kombination der luftseitigen Turbine (6) mit dem abgasseitigen Verdichter (29) ganz besonders kraftstoffverbrauchs- und kosteneffektiv.
Eine Alternative oder Ergänzung zum abgasseitigen Verdichter (29) ist es, die erfindungsgemäße Vorgehensweise mit einer Beschränkung auf die luftseitige Turbine (6) gemäß 7 unter Weglassen des abgasseitigen Verdichters (29), mit einem el. Antrieb der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder der Fahrzeugräder zu kombinieren, welcher die Brennkraftmaschine mit dem vergleichsweise kleinen aber im NEFZ sehr häufig kraftstoffverbrauchsneutral vorhandenen Energiebeitrag der luftseitigen Turbine (6) entlastet.
Die Kopplung über den el. Fahrzeugantrieb liefert – insbesondere im Vergleich zu einer Kupplung über ein stufenloses Getriebe o. ä. – den ganz besonders vorteilhaften Spielraum, dass mit der el. Leistungsabgabe sehr variabel umgegangen werden kann, einschließlich einer Pufferung über die Fahrzeugbatterie. Dadurch wird dieser Ansatz für Pkw mit vertretbarem Verhältnis von Aufwand zu Nutzen praktikabel. Insbesondere ist es ganz besonders vorteilhaft, diesem Ansatz zusätzlich weitere Systeme der Energierückgewinnung zuzuordnen, z. B. eine Bremsenergierückgewinnung, einen Thermoelektrischen Generator (TEG) oder einen Rankine-Cycle.
Insbesondere ist auch eine Zuordnung solcher weiterer Systeme der Energiegewinnung vorteilhaft, die während des Fahrzeugstillstandes eine Batterieaufladung bewirken und aufgrund einer relativ langen Ladedauer bei parkendem Fahrzeug doch zu einer Messbaren Batterieaufladung führen. Besonders bevorzugt kommt hierzu die Einbindung einer Aufladung über Solarzellen zur Anwendung und/oder ein Thermoelektrischer Generator, der die Motorabwärme der Motorstruktur als Wärmequelle nutzt.
Alle diese Maßnahmen helfen letztlich, dass der mechanische Zusatzbeitrag des el. Fahrzeugzusatzantriebes und/oder des elektrisch angetriebenen abgasseitigen Verdichters möglichst häufig nutzbar ist.
Insbesondere ist vorteilhaft, einen el. Ergänzungsantrieb für die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine oder die Fahrzeugräder bereitzustellen, der dem Fahrzeugantrieb während der Fahrt bereits bei kleinen el. Leistungen, insbesondre im Bereich unterhalb 3–5 kW oder unterhalb 1–2 kW, zugeschaltet wird, welcher der von der Brennkraftmaschine abgegebenen Antriebskraft überlagert wird. Vorzugsweise ist hier die Lichtmaschine lediglich geringfügig größer als üblich und von der Motor- bzw. Fahrzeugsteuerung als el. Antriebsmotor auf die Motorantriebswelle aufgeschaltet. Das kann beispielsweise so erfolgen, dass die Lichtmaschinne permanent mit dem Motor mitläuft und lediglich unterschiedlich stark in Richtung el. Generator zur Beladung der Fahrzeugbatterie oder als el. Zusatzantriebsmotor zur Entlastung der Brennkraftmaschine verstellt wird.
Die Begrenzung der Auslegung auf relativ geringe Leistungen macht das System klein, leicht und preiswert, vor allem ist es aber maßgeschneidert auf die in Bezug auf die Motornennleistung relativ kleine el. Energiemenge, die energetisch ohne Zusatzaufwand seitens des Kraftstoffes verfügbar ist.
Speziell vor dem Hintergrund den Kraftstoffverbrauch im NEFZ signifikant zu reduzieren, ist diese Vorgehensweise sehr vorteilhaft und kosteneffektiv.
Insbesondere ist es bei der erfindungsgemäßen Anwendung einer luftseitigen Expansionsmaschine (6), beispielsweise gemäß einer der 1 oder 2–7, vorteilhaft, Reglungs- und/oder Vorsteuerungs-Motorsteuerungsparameter bereitzustellen, welche ein sicheres und schnelles Auffinden genau definierter und stabiler Betriebspunkte des Luftmassenstroms bei einem Wechsel der Motorlast sicherstellen.
Dabei sind insbesondere solche Regelungs- und Vorsteuerungs-Motorsteuerungsparameter vorteilhaft, welche gleichzeitig dafür verwendbar sind, die Nutzung der luftseitigen Expansionsmaschine (6) und/oder der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) in möglichst günstigen Kennfeldbereichen einzustellen und/oder deren rechtzeitiges Abschalten sicherstellen. Nachfolgend werden einige solche Regelungs- und Vorsteuerungs-Motorsteuerungsparameter exemplarisch beschrieben.
Eine bevorzugte Vorgehensweise sieht hier vor, die Hauptdrosselklappe (14) über die Motorsteuerung anzusteuern, welche ausgehend von einer Einstellung des Fahrerwunsches, beispielsweise des Gaspedals, einen ersten Luftmassenstrom einstellt, der in Verbindung mit der eingebrachten Kraftstoffmenge das benötigte Drehmoment der Brennkraftmaschine an der Kurbelwelle ermöglicht, und welche bei einem Wechsel der Motorlast, beispielsweise bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs, die Einstellung der Hauptdrosselklappe (14) auf einen zweiten Luftmassenstrom vornimmt, und zwar unter Berücksichtigung der momentanen Drehzahl der Expansionsmaschine (6).
Diese Berücksichtigung der Drehzahl der luftseitigen Expansionsmaschine (6) erfolgt bevorzugt über eine Korrelation oder ein Kennfeld, welches den jeweiligen Druckabbau an der Expansionsmaschine bei den entsprechenden Werten des Luftmassenstroms/Luftvolumenstroms durch die luftseitige Expansionsmaschine (6), deren Drehzahl und deren Leistungsabgabe an der Welle beschreibt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, mit diesen und gegebenenfalls weiteren Messdaten, wie Umgebungsluftdruck und Umgebungsfeuchte, für den Zielwert des Luftmassenstroms einen Druckverlust an der Expansionsmaschine (6) im voraus zu berechnen oder als Rechenhilfsgröße permanent neu zu bestimmen, so dass anhand des bekannten und von wesentlich weniger Parametern abhängigen Druckverlustes der Hauptdrosselklappe (14) eine besonders genaue Voreinstellung und/oder Regelung des Luftmassenstroms mittels der Hauptdrosselklappe (14) erfolgen kann.
Insbesondere ist es darüber hinaus vorteilhaft, die anschließende Feineinstellung zur Regelung des Frischluftmassenstroms über eine genaue Messung des Luftmassenstroms vorzunehmen und gegebenenfalls zusätzlich mit einer Lambdasonde in bekannter Weise auf Werte um den Zielwert von Lambda = 1 herum zu regeln.
Diese Vorgehensweise unter Verwendung der Drehzahl der luftseitigen Expansionsmaschine (6) reduziert insbesondere die Unter- und Überschwinger bei der Einstellung des neuen Zielluftmassenstroms bei einem Lastsprung, da bereits die erste Grobeinstellung des Luftmassenstroms nach dem Einleiten des Lastsprungs wesentlich genauer vorher bestimmbar ist, als ohne Berücksichtigung der Momentandrehzahl der Expansionsmaschine.
Diese und ähnliche Vorgehensweisen mit Regelungs- und Vorsteuerungs-Motorsteuerungsparametern zielen darauf ab, den potentiellen Nachteil der Erfindung zu beseitigen, dass die sich drehenden Arbeitsmaschinen (6, 29) und deren Peripherie eine deutlich komplexere Rückwirkung auf den Druckabbau aufweisen, als eine konventionelle Hauptdrosselklappe (14), beispielsweise nach 2. Diese erhöhte Komplexität liegt daran, dass zusätzliche Stellglieder und Regeleingriffe, d. h. zumindest das Ein- und Ausschalten einer Arbeitsmaschine, mit der Stellung der Hauptdrosselklappe (14) abgeglichen werden müssen, sowie daran, dass das Druckverlust- und Druckabbauverhalten der beiden Arbeitsmaschinen (6, 29) i. a. stark von deren Drehzahl abhängig ist.
So ergeben sich beispielsweise an einer luftseitigen Turbine (6) je nach Drehzahl des Laufrades und je nach Luftvolumenstrom völlig unterschiedliche Winkel der Strömungsumlenkung. Da diese unterschiedlichen Winkel der Umfangs- und Axialgeschwindigkeit (Geschwindigkeitsdreiecke) des Laufrades bzw. des Leitrades/Leitapparates einer Turbine die übertragene technische Arbeit und den Turbinenwirkungsgrad im wesentlichen definieren, ist es vorteilhaft, mit der Motorsteuerung modellbasiert oder korrelationsbasiert eine Vorabschätzung des für einen Zielwert des Luftmassenstroms zu erwartenden Momentandruckabbaus an der luftseitigen Turbine (6) zu ermitteln und bei der Einstellung der Hauptdrosselklappe (14) zu berücksichtigen.
Eine besonders vorteilhafte und stabile Regelung wird ermöglicht, indem die Hauptdrosselklappe (14) solange von der Motorsteuerung etwas weiter geschlossen ist als im entsprechenden Stationärbetrieb, bis die Drehzahl der Turbine in Richtung erhöhten Druckabbaus verändert ist, und umgekehrt, indem die Hauptdrosselklappe (14) solange etwas weiter geöffnet ist als im entsprechenden Stationärbetrieb, bis die Drehzahl der Turbine in Richtung eines reduzierten Druckabbaus im entsprechenden Stationärbetrieb verändert ist.
Da die luftseitige Turbine (6) eine nicht zu unterschätzenden Trägheit aufweist, ist es für eine schnelle Anpassung an einen neuen Zielwert des Luftmassenstroms im Rahmen der Erfindung ganz besonders vorteilhaft, deren Drehzahl in die Vorausberechnung und/oder Nachregelung der Stellung der Hauptdrosselklappe (14) und gegebenenfalls weiterer Stellglieder einzubeziehen. Insbesondere in Verbindung mit der oben beschriebenen Berücksichtigung eines Kennfeldes für das je nach Drehzahl und Luftmassenstrom realisierbare Druckgefälle an der luftseitigen Turbine (6) ist damit eine Verbesserung der Regelqualität und eine Ausdehnung in Richtung größerer Druckdifferenz an der luftseitigen Turbine (6) und somit in Richtung höherer Kraftstoffeinsparung verbunden.
In einem weiterführenden Schritt ist es vorteilhaft, die von der Welle der luftseitigen Turbine (6) entnommene Leistung zu erhöhen, wenn die abgeschätzte oder eingeregelte Stellung der Hauptdrosselklappe (14) einen Teillast-Zielwert in Richtung der geschlossenen Position überschreitet oder wenn der Absolutdruck zwischen der luftseitigen Turbine (6) und der Hauptdrosselklappe (14) einen Teillast-Zielwert der Drosselung überschreitet. Das erfolgt bevorzugt durch ein Verstellglied an der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) und/oder durch eine Erhöhung der entnommenen el. Leistung und/oder durch Zusatzventile in der Peripherie der luftseitigen Expansionsmaschine (6) und/oder der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29).
Ergänzend oder alternativ ist es insbesondere vorteilhaft, als Regelungs- oder Vorsteuerungs-Motorsteuerungsparameter eine oder mehrere Kenngrößen zur Beschreibung des momentanen Betriebszustandes der Expansionsmaschine (6) und/oder der Kompressionsmaschine (29) für die Reglung und/oder Verstellung der Hauptdrosselklappe (14) mit der Motorsteuerung zu ermitteln und bei einem Wechsel der Motorlast zur verwenden.
Geeignet sind hier insbesondere die momentan anliegende technische Arbeit, welche beispielsweise aus einer el. Energiebilanz am el. Generator (7) der luftseitigen Expansionsmaschine (6) ermittelt wird, oder welche aus der Druck- bzw. Temperaturdifferenz vor und nach der Expansionsmaschine (6) bzw. Kompressionsmaschine (29) abgeleitet wird.
Insbesondere ist es vorteilhaft, mit der Motorsteuerung den Absolutdruck stromab der luftseitigen Expansionsmaschine (6) oder den dortigen Differenzdruck zur Umgebung oder zu einer Position stromab der Hauptdrosselklappe (14) zu messen und für die Steuerung bzw. Regelung zu verwenden, insbesondere bei der Einstellung der Hauptdrosselklappe (14) und der Eingriffe in die Arbeitmaschine(n) (6, 29) und/oder deren Stelllieder.
Die oben beschriebenen Regelungs- und Vorsteuerungs-Motorteuerungsparameter sind insbesondere in verschiedenen Kombinationen mehrerer Parameter vorteilhaft verwendbar, und zwar für Vorsteuerungsaufgaben, bei denen zunächst ein Schätzwert für eine brauchbare neue Position der Hauptdrosselklappe (14) und/oder weiterer Stell- und Regelglieder benötigt wird, und/oder für Regelungsaufgaben, bei denen nicht nur der Zielluftmassenstrom für die Verbrennung eingestellt werden soll, sondern auch eine möglichst große und möglichst kraftstoffverbrauchsreduzierende Druckdifferenz an der luftseitigen Expansionsmaschine (6) und/oder an der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29).
Insbesondere ist eine weitere Regelstrategie vorteilhaft, die vorsieht, die luftseitige Kompressionsmaschine (6) mit einem eigenen Regelkreis stets so zu betreiben, dass an dieser in einem unteren Kennfeldbereich der Motorlast- und Motordrehzahl eine relativ konstante und somit für die Motorsteuerung annähernd bekannte Druckdifferenz anliegt.
Besonders vorteilhaft ist hier eine Vorgehensweise, die vorsieht, dass es im NEFZ oder in den ersten 4 ECE-Zyklen nur selten, insbesondere nur insgesamt weniger als 1–4 Minuten, oder gar nicht zu einer Situation kommt, bei der nicht die Regelung über die Hauptdrosselklappe (14) zur Anpassung des Luftmassenstroms ausreicht.
Wie obige Rechenbeispiele zeigen, ist es bei der Erfindung bereits vorteilhaft, für den Kraftstoffverbrauch, wenn eine solche Regelung oder eine andere Art der Reglung dem Luftmassenstrom mittels einer luftseitigen Expansionsmaschine (6) eine relativ kleine Druckdifferenz aufprägt und dabei technische Arbeit aufnimmt, und diese auf elektrischem oder mechanischem Wege genutzt wird.
Kraftstoffverbrauchsoptimierte Ottomotoren heutiger Bauart zeigen im NEFZ in den einzelnen Phasen in der Regel Drücke stromab der Hauptdrosselklappe deutlich unterhalb 0,7 bar, so dass es als besonders einfache Regelstrategie vorteilhaft ist, die luftseitige Turbine (6) mit einem ersten Regelkreis auf eine weitgehend konstante Druckdifferenz zwischen Turbineneintritt- und Turbinenaustritt von etwa 0,2–0,4 mbar einzuregeln, insbesondere auf eine Druckdifferenz von 0,4–0,6 mbar, und mit der Hauptdrosselklappe (14) einen übergeordneten zweiten Regelkreis, der die finale Regelung des Verbrennungsluftmassenstroms vornimmt. Mit diesen Zahlenwerten kommt es speziell bei relativ leistungsstarken Motoren im NEFZ sehr selten zu einem Betriebszustand, bei welchem die luftseitige Expansionsmaschine (6) in ihrer Druckdifferenz reduziert werden muss, um einen hinreichenden Verbrennungsfrischluftmassenstrom zu realisieren. Eine besonders einfache Vorgehensweise sieht hier gegebenenfalls einfach vor, dass die luftseitige Expansionsmaschine (6) komplett deaktiviert wird.
Soll das Kraftstoffeinsparpotential speziell auf sehr gute Werte im NEFZ abgestimmt werden, so ist es insbesondere vorteilhaft, den Phasen mit konstanter Fahrgeschwindigkeit einen Sollwert der Druckdifferenz an der luftseitigen Expansionsmaschine (6) zuzuordnen, auf den der erste Regelkreis diese einregeln soll.
Insbesondere ist es hier vorteilhaft, nur eine kleine Regelreserve für die Hauptdrosselklappe vorzusehen, insbesondere eine Regelreserve von weniger als 10–30% des Sollluftmassenstroms der Phase mit konstanter Fahrgeschwindigkeit. Die Beschleunigungsphasen werden dann bevorzugt mit temporär voll deaktivierter luftseitiger Expansionsmaschine (6) gefahren, was eine besonders einfache Regelung ergibt.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in 7b gezeigt, bei welcher, ausgehend von 7, der Strömungszweig 5b mit der luftseitigen Expansionsmaschine (6) und einer Zweitdrosselklappe (14z) an eine Position stromab der Hauptdrosselklappe (14) verlegt ist und von da aus zu den Motoreinlassventilen führt.
Die beiden Zweige 5a und 5b führen gemäß 7b beide vor die Motoreinlassventile und bilden jeweils einen eigenen Regelkreis für den Frischluftmassenstrom, wobei je nach Fahrerwunsch/Gaspedalstellung und/oder Zielwert für den Verbrennungsluftmassenstrom wahlweise die Hauptdrosselklappe (14) oder die Zweitdrosselklappe (14z) oder beide Klappen ansteuerbar sind. Das ist mit erhöhten Qualitätsanforderungen seitens der Zweitdrosselklappe (14z) verbunden, beispielsweise im Vergleich zur weniger qualitätskritischen Abschaltung/Regelung der luftseitigen Expansionsmaschine (6) mit dem Ventil (4a) in 7, hat aber den Vorteil eines besonders schnellen und flexiblen Regeleingriffs. Daran ist die parallele Anordnung der zwei Drosselklappen (14, 14z) maßgeblich beteiligt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, im Zweig 5b ein Rückschlagventil (14rv) vorzusehen, so dass die Luft im Zweig 5b im wesentlichen nur in Richtung der Motoreinlassventile förderbar ist. Das verbessert insbesondere die Regelgüte beim Zuschalten und Dosieren des Zweigs 5a mit der Hauptdrosselklappe (14). 7c zeigt ein entsprechendes Beispiel.
Insbesondere ist in 7c zusätzlich ein Unterdruckspeichervolumen (14us) vorgesehen, welches sicherstellt, dass eine Speicherwirkung für den Unterdruck verfügbar ist. Damit ist die Expansionsmaschine geringeren Schwankungen der Anströmgeschwindigkeiten und der Geschwindigkeitsdreiecke ausgesetzt, und in Übergangsphasen der Motordrehzahl oder des Luftbedarfs werden zu große Pulsationen über den Zweig 5b verhindert.
Insbesondere ist es vorteilhaft, dieses Volumen so groß auszugestalten, dass es mehr als 0,5 mal, insbesondere mehr als 1–3 mal, so groß ist, wie das Hubvolumen der Brennkraftmaschine (15), so dass die Schwankung von einer Zylinderfüllung zur nächsten besser beherrschbar ist.
Um ein Vereisen des Zweigs 4b, des Rückschlagsventils 14rv oder der Zweitdrosselklappe (14z) zu vermeiden ist es insbesondere vorteilhaft, das Unterdruckspeichervolumen (14us) und/oder die Kanäle des Zweigs 5b mit internen Wärmeübergangsrippen zu versehen, welche die an der luftseitigen Expansionsmaschine (6) abgekühlte Luft in Richtung Umgebungstemperatur, insbesondere auf Werte oberhalb 0°C, erwärmen. Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, diese internen Wärmeübertragungsrippen mittels externer Wärmeübergangsrippen mit der Umgebungsluft wärmeleitend in Kontakt zu bringen oder mittels einer anderen Wärmequelle, insbesondere dem Motorkühlmittel, zu erwärmen.
7d zeigt eine zu 7c analoge Vorgehensweise mit geänderter Position der Zweitdrosselklappe (14z), und zwar stromauf des Unterdruckspeichervolumens (14uv). Das begünstigt das Aufrecherhalten des Unterdrucks in kurzzeitigen Phasen mit Lastwechselsteuerung über die Hautdrosselklappe (14) und reduziert die Vereisungsgefahr an der Zweitdrosselklappe (14z).
Insbesondere ist es zur Vereinfachung der Regelung vorteilhaft, bei kleinem Luftmassenstrom primär oder ausschließlich den Zweig 5b mit der luftseitigen Expansionsmaschine (6) zu verwenden, bei hohem Luftbedarf primär oder ausschließlich der Zweig 5a.
Insbesondere ist es für eine Maximierung der Ausnutzung der luftseitigen Expansionsmaschine (6) vorteilhaft, dass seitens der Motorsteuerung ein Mischen der Luft aus den beiden Zweigen (5a, 5b) durch das gleichzeitige Regeln der beiden Drosselklappen (14, 14z) erfolgt.
Insbesondere wenn eine hohe Regelgüte oder ein Schnelles Ansprechen auf einen Lastwechsel wichtig ist, sind diese alternativen Vorgehensweisen zur Einbindung der luftseitigen Expansionsmaschine (6) über eine Zweitdrosselklappe (14z) für viele der bisher diskutierten Ausgestaltungen der Erfindung aus regelungstechnischer Sicht eine sehr attraktive Variante.
Sie können je nach Lastenheft und Kostenrahmen beispielsweise auch in Kombinationen mit der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) vorteilhaft verwendet werden. 4b zeigt exemplarisch, wie eine entsprechende Vorgehensweise relativ zu 4 vorteilhaft erfolgen kann, indem der Zweig 5b als separater Luftzweig unter Umgehung der Hauptdrosselklappe (14) verlegt und mit der Zweitdrosselklappe (14z) ausgestattet wird.
Auch für 1 bzw. 3, 5 und 6 ist ein analoger Weg mit einer Zweitdrosselklappe (14z) je nach Lastenheft attraktiv, welcher beispielsweise in Analogie zu 7b/7c/7d eine luftseitige Expansionsmaschine (6) über einen Zweig 5b stromab der Hauptdrosselklappe (14) einbindet.
Dem erhöhten Aufwand, der dadurch entsteht, dass im Prinzip zwei vollwertige Drosselklappen (14 und 14z) von einer Gaspedalstellung ausgehend zu bedienen und zu priorisieren sind, und an die Zweitdrosselklappe (14z) ähnlich hohe Qualitätsanforderungen zu stellen sind wie an die Hauptdrosselklappe (14), stehen regelungstechnische Vorteile gegenüber und/oder die Möglichkeit die Potentiale der luftseitigen Expansionsmaschine (6) bezüglich der Kraftstoffeinsparung besonders gut auszunutzen.
8 zeigt ausgehend von 6 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, wie sie sich unter Weglassen der luftseitigen Turbine (6) ergibt. Der Verdichter (29) wird vom Elektromotor (30) angetrieben, welcher über die Steuerung (31) definiert, wann und wie viel el. Antriebsleistung aus der Speicherbatterie (11) oder einer sonstigen el. Energiequelle zugeführt wird.
Die Einbringung el. Leistung erfolgt nach wie vor bei kleiner Motorlast und relativ kleinem Abgasmassenstrom, so dass die el. Antriebsleistung des Verdichtermotors (30) durchaus längere Zeit aus einer Speicherbatterie, z. B. der Fahrzeugbatterie (11), möglich ist.
Die unterschiedlichsten Wege, wie diese Speicherbatterie zuvor oder zeitgleich weitgehend kraftstoffverbrauchsneutral geladen werden kann, wurden oben bereits beschrieben. An Stelle des el. Antriebs (30) des abgasseitigen Verdichters (29) mittels der Energie aus der Fahrzeugbatterie sind im Rahmen der Erfindung natürlich auch andere Formen der Energiespeicherung und Energieübertragung vorteilhaft einsetzbar, beispielsweise mittels eines großen Kondensators.
Der abgasseitige Verdichter (2) ist hier ein besonders günstiger Weg, weil er überschüssige el. Energie zumindest teilweise in mechanische Energie zurückzuwandeln kann, und zwar auf dem indirekten Weg über die externe Reduktion der Ladungswechselarbeit der Brennkraftmaschine.
Analog zu den Ausführungen gemäß 3 und 4 ist es auch hier besonders vorteilhaft, für den angestrebten Motorbetrieb im Bereich geringer Luft- und Abgasmassenströme den Verdichter in einen Bypasszweig anzuordnen und dem Verdichter einen Abgaswärmetauscher vorzuschalten. Das führt auf optimierte Baugrößen der Ventile und Abgasleitungen, der Wirkungsgrade des Verdichters (29) und des zugehörigen el. Antriebs sowie der Größe des Abgaswärmetauschers.
9 zeigt ein weiteres vorteilhaftes Beispiel zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs unter Nutzung einer abgasseitigen Kompressionsmaschine (29), welche verfügbare el. Antriebsenergie derart in technische Arbeit umsetzt, dass letztlich die Brennkraftmaschine einen geringeren Kraftstoffverbrauch aufgrund reduzierter Drossel- bzw. Ladungswechselverluste aufweist.
Die abgasseitige Kompressionsmaschine (29) wird vom Elektromotor (30) mit überschüssiger el. Energie angetrieben und saugt Umgebungsluft über den Lufteinlass (1) und eine Zusatzdrosselklappe (4a) über den Eintrittsbereich (4ve) eines Verzweigungsrohrs (4v) zum Austrittsbereich (4va). Von der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) wird die Luft dann an der Austrittsleitung für Luft und Abgas (34) wieder in die Umgebung ausgeblasen, gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines druckverlustarmen Schalldämpfers.
Die Brennkraftmaschine entnimmt dem Verzweigungsrohr (4v) im Eintrittsbereich (4ve) die Verbrennungsluft und fördert diese über den Luftfilter (2) den Ladeluftkühler (13), die Drosselklappe (14) und die Motoreinlassventile in den Brennraum. Nach dem Ausströmen der Abgase über die Motorauslassventile strömt das Abgas über die Turbine (17) des Turboladers und/oder über das Waste-Gate (18) zum Schalldämpfer mit Katalysator (19k) und über einen weiteren Schalldämpfer (33) und den Austritt (34v) zum Verzweigungsrohr (4v), wo es sich im Austrittsbereich (4va) mit aus dem Bereich 4ve zugeströmter Luft mischt und mit dieser gemeinsam aus dem Verzeigungsrohr (4v) ausströmt, und zwar zunächst zur abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) und dann über den Austritt (34) in die Umgebung. Am Eintritt der Luft (1) und Austritt des Luft-Abgasgemisches (34) liegt jeweils der Umgebungsdruck an.
Die von der Regelung (31) eingestellte Leistung der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) und die Einstellung der Drosselstelle (4a) stellen einen Unterdruck im Verzweigungsrohr (4v) ein, so dass für die gegebene Motorlast- und Motordrehzahl nur noch eine reduzierte oder gar keine Drosselung an der eigentlichen Drosselklappe (14) erforderlich ist.
Der interne Druckverlust innerhalb des Verzweigungsrohrs (4v) ist hierbei durch entsprechend große Strömungsquerschnitte klein gehalten, so dass am Lufteintritt für den Verbrennungsluftmassenstrom (1v) aus dem Verzweigungsrohr (4v) und am Abgasaustritt (34v) der Abgasleitung in das Verzweigungsrohr (4v) annähernd der gleiche Druck anliegt.
Solange keine externe EGR gewünscht ist, ist es hierbei vorteilhaft, ein Rückströmen des Abgases zum Eintrittsbereich (4ve) und zum Lufteintritt für den Verbrennungsluftmassenstrom (1v) dadurch zu vermieden, dass der Gesamtmassenstrom der Kompressionsmaschine größer ist als der Abgasmassenstrom.
Insbesondere ist es in der Teillast bei vielen Motoren vorteilhaft, mit einem reduzierten Gesamtmassenstrom zusätzlich eine externe Abgasrückführung umzusetzen, und hierfür das Zusatzventil (4a) zusätzlich zu schließen, um die Emissionen und/oder den Kraftstoffverbrauch zusätzlich zu senken.
Die Vorgehensweise mit Drosselung am Zusatzventil (4a) gemäß 1 ist bevorzugt für relativ kleine Motorleistungen bzw. Luft- und Abgasmassenströme geeignet, da sich dann die erforderliche Antriebsleistung der Kompressionsmaschine (29) mit vertretbarem Aufwand darstellen und insbesondere kraftstoffverbrauchsneutral bereitstellen lässt.
Bei erhöhter Motorleistung öffnet das Zusatzventil (4a), so dass die Kompressionsmaschine (29) dann nur noch eine sehr kleine Druckdifferenz aufbringen muss, welche dann darauf begrenzt ist, ein Rückströmen von Abgas zu dosieren oder zu vermeiden.
Insbesondere ist es vorteilhaft, ein Trennventil (4b) im Verzweigungsrohr (4v) zu verwenden, welches bei ausgeschalteter Kompressionsmaschine (29) schließbar ist. 10 zeigt ein solches Beispiel.
Das Schließen des Trennventils (4b) bewirkt, dass die Brennkraftmaschine weitgehend ähnlich arbeitet, wie in bekannten Anwendungen mit Regelung über eine Drosselklappe (14), beispielsweise nach 2.
Die Kompressionsmaschine (29) läuft bei geschlossenem Trennventil (4b) lediglich frei mit oder wird auf andere Weise in Richtung kleinen Druckverlustes umgeschaltet. Es sei noch erwähnt, dass es auch hier vorteilhaft ist, stromauf der Kompressionsmaschine einen Abgaswärmetauscher zur Kühlung der Abgases vorzusehen und/oder die Kompressionsmaschine in einem Bypasszweig verkleinerter Strömungsquerschnitte anzuordnen.
9 und 10 setzen u. a. die Erkenntnis um, dass es insbesondere vorteilhaft ist, dem Motoreintritt im Motorleerlauf und in der unteren Motorteillast mittels einer abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) unmittelbar stromauf der Motoreinlassventile und stromab der Motorauslassventile einen so weit unter den Umgebungsdruck abgesenkten Druck aufzuprägen, dass der Anteil der Ladungswechselverluste, der auf dem Durchströmen der Drosselklappe (14) basiert, besonders klein wird, weil dieses angesichts der geringen Luftdichte weitgehend/komplett geöffnet werden kann.
Das führt dazu, dass die Strömungsgeschwindigkeiten beim Durchströmen des Motorein- und Motorauslassventilbereichs ähnlich günstig sind wie bei Motorvolllast, allerdings mit dem Unterschied, dass die Dichte der Luft sehr viel geringer ist.
Das Anliegen eines in hohem Maße von der abgasseitigen Arbeitsmaschine (29) definierten und nahezu konstanten Druckes an den Motoreinlass- und Motorauslassventilen hat hier – direkt an der Brennkraftmaschine – eine ähnliche Wirkung, wie ein Betrieb der konventionellen Brennkraftmaschine nach 2 bei abgesenktem Umgebungsdruck aufgrund unterschiedlicher Wetterlage oder unterschiedlicher geodätischer Höhe. Die Drosselklappe (14) wird bei geringerem Umgebungsdruck weniger weit geschlossen, um die für einen gegebenen Kraftstoffumsatz bzw. eine gegebene Motorleistung erforderliche Luftmenge im Brennraum bereitzustellen. Die Einsparungen seitens der Drosselverluste an der Drosselklappe (14) bewirken dabei eine Reduktion des Kraftstoffverbrauchs. Dass diese Vorgehensweise auch bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise mit der über die Kompressionsmaschine (29) zusätzlich eingebrachten technischen Arbeit im Gesamtfahrzeug eine Kraftstoffeinsparung liefert, liegt daran, dass die für deren Antrieb verwendete Energie gemäß der Erfindung weitgehend kraftstoffverbrauchsneutral bereitgestellt wird, beispielsweise aus überschüssiger Energie der Bremsenergierückgewinnung oder aus der el. Leistung der in 7 exemplarisch beschriebenen el. Einheit aus Turbine (6) und Generator (7) im Luftansaugbereich.
11 zeigt ausgehend von 9 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die aus der Umgebungsluft am Lufteintritt 1 angesaugte Luft stromab des Luftfilters 2 in einem für die Druckabsenkung mit der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) vorgesehenen ersten Strömungspfad (1a) und einem für den konventionellen Motorbetrieb vorgesehenen Strömungspfad (1b) strömen kann. Das Einschalten der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) stellt wiederum in der Motorteillast gemeinsam mit der teilweise geschlossenen Zusatzdrossel (4a) den gewünschten Unterdruck im Verzweigungsrohr (4v) ein. Dieser Unterdruck wird bei geöffnetem Ventil (4c) über einen Zusatzströmungspfad (1c) stromauf der Motoreinlassventile an das Saugrohr angelegt.
Der in die Brennräume einströmende Verbrennungsluftmassenstrom führt über den Strömungspfad (15e) und setzt sich aus den Teilströmen der Strömungspfade 15e1 und 15e2 zusammen.
Er wird bei sehr geringer Motorlast bei weitgehend oder komplett geschlossener Hauptdrosselklappe (14) durch die Einstellung der Zusatzventile (4a, 4c) und/oder die Leistung der Kompressionsmaschine (29) bestimmt. Bei erhöhter Motorlast wird die Hauptdrosselklappe (14) so weit geöffnet, dass sich ein hinreichender Frischluftmassenstrom einstellt. Die Zusatzventile (4a, 4c) werden bei hoher Motorlast geschlossen.
Zur Reduktion der Komplexität und der Kosten ist es insbesondere vorteilhaft, auf eine Regelbarkeit der Zusatzventile (4a, 4c) und/oder der Kompressionsmaschine zu verzichten und z. B. einfache Rückschlagventile mit Blenden o. ä. zu verwenden, welche die Drosselung bewirken und das ungewollte Durchströmen des Verzweigungsrohrs (4v) über die zugehörigen Strömungspfade (1a, 1c) begrenzen.
Bei der Verschaltung nach 11 ist es von ganz besonderen Vorteil, den für kleine Motorlasten vorgesehenen Strömungspfad (1c) mit einem relativ kleinen Strömungsquerschnitt zu versehen.
Außerdem ist es vorteilhaft, mit dieser Anordnung das mit Unterdruck beaufschlagte Volumen stromauf der Brennkraftmaschine klein zu halten, was mit Vorteilen für einen schnellen Übergang auf hohe Motorlast verbunden ist.
Die Anordnung nach 11 ermöglicht es in besonders genau definierter und kontrollierbarer Weise, in der Motorteillast seitens einer abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) kraftstoffverbrauchsneutral verfügbare und/oder überschüssige technische Arbeit in eine Kraftstoffeinsparung seitens der Brennkraftmaschine und des Gesamtfahrzeugs umzusetzen, indem die abgasseitige Kompressionsmaschine (29) dem Motorein- und Motoraustritt einen annähernd gleichen Unterdruck aufprägt. Die zur Absenkung des Luftdruckes erforderliche Drosselung an der Hauptdrosselklappe (14) wird dabei zumindest teilweise auf die Zusatzdrossel (4a) am Eintritt in das Verzweigungsrohr (4v) transferiert und somit ein Teil der Drosselverluste von der Kompressionsmaschine (29) aufgebracht.
12 zeigt ausgehend von 9 eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung, bei der die Ansaugung der Frischluft (1) aus der Umgebung erfolgt und stromab der Drosselklappe (14) verzweigt wird, in einen Teil, der über einen luftseitigen Bypass (15b) der die Brennkraftmaschine umgeht, über die in dieser Verschaltung bei Motorteillast offene zusätzliche Drossel (4a) und dann in das Verzweigungsrohr (4v) strömt, und einen Teil, der durch die Brennkraftmaschine (15) strömt und über einen abgasseitigen Austritt (34v) in das Verzweigungsrohr (4v). Die zusätzliche Drossel (4a) kann hier auch durch ein kostengünstigeres Abschaltventil ersetzt werden, da die Drosselung an der Drosselklappe (14) erfolgt. Diese Anordnung liefert insbesondere ein kleines Totvolumen an Luft, welches bei einem plötzlichen Wechsel auf Motorvolllast ausgehend von einem deutlichen Unterdruck auf den Ladesolldruck des Turboladers (17) befüllt werden muss. Die Anordnung nach 12 bietet den besonderen Vorteil, dass er es mittels des Betriebs der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) ermöglicht, an den Bereich unmittelbar stromauf der Motorein- und stromab der Motoraustrittsventile ein weitgehend gleiches Unterdruckniveau anzulegen. Wenn das nicht erwünscht ist so drosselt bzw. schließt das Ventil (4a).
Insbesondere ist, ausgehend von 8, eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, die zusätzlich einen Frischluftbypasszweig (15b) mit einem Ventil (15b) umfasst, welcher einen Teilluftmassenstrom unter Umgehung der Brennräume zum Motoraustritt fördert, so dass der mit der Kompressionsmaschine erzeugte Unterdruck der Abgasseite auch stromauf der Motoreinlassventile wirksam wird, und zwar derart, dass der Brennkraftmaschine im Bereich der Motorein- und Motorauslassventile ein weitgehend ähnlicher Unterdruck aufprägbar ist. Dabei kann die Anpassung des Frischluftmassenstroms über ein zusätzliches Drosselventil im Saugrohr erfolgen, nach welcher die Bypassleitung (15b) abgeht, oder durch die Hauptdrosselklappe (14).
Eine solche Konfiguration zeigt 13, wobei der Frischluftbypasszweig (15b) die Luft von einer Position stromab der Hauptdrosselklappe (14) und stromauf der Motoreinlassventile zu einer Position stromauf der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) fördert.
Das Öffnen des zusätzlichen Drosselventils (15bv) in der Bypassleitung (15b) legt den von der Kompressionsmaschine (29) erzeugten Unterdruck abgasseitig und luftsaugseitig an die Brennkraftmaschine an, während die Leistungseinstellung der abgasseitigen Kompressionsmaschine und/oder die Einstellung der Drosselklappe (14) das Druckniveau für eine hinreichend kleine Füllung der Brennräume mit Luft anpassen.
In 13 ist für den abgasseitigen Anschluss der Bypassleitung (15b) beispielhaft eine besonders günstige Position stromab der Motorauslassventile und stromauf des Turboladers (17) gewählt, so dass die Frischluftbypassleitung durch eine Anpassung der Regelstrategie auch temporär als Abgasrückführleitung verwendbar ist. Die Abschaltung der abgasseitigen Kompressionsmaschine führt im Fall des EGR-Betriebs in der Bypassleitung (15b) zu einer Strömung entgegen der Stromungsrichtungspfeile.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3205722 [0012]
DE 602004000194 T2 [0014]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe (14) in der Motorteillast zumindest temporär so eingestellt ist, dass diese den Ansaugdruck der Verbrennungsluft stromauf der Motoreinlassventile bei gedrosselter Motorleistung absenkt, • während eine Vorrichtung stromab der Motorauslassventile dem Abgasmassenstrom mittels einer Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit zuführt, • und damit der Brennkraftmaschine stromab der Motorauslassventile, insbesondere auch stromauf der Motoreinlassventile, einen Druck unterhalb des Umgebungsdruckes aufprägt, • und zwar derart, dass die von der Brennkraftmaschine aufzubringende Ladungswechselarbeit und der Kraftstoffstoffverbrauch reduziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Kompressionsmaschine (29) auf einer Energiequelle basiert, welche weitgehend kraftstoffverbrauchsneutral zur Verfügung steht, insbesondere auf Energie • aus einer Expansionsmaschine (6), welche den statischen Druck des Verbrennungsluftmassenstroms unter Aufnahme technischer Arbeit absenkt und damit gewonnene Arbeit über eine Antriebswelle (29w) auf die Expansionsmaschine (6) überträgt, und/oder • aus einer Expansionsmaschine (6), welche den statischen Druck des Verbrennungsluftmassenstroms unter Aufnahme technischer Arbeit absenkt und über einen Generator in el. Energie umwandelt, und/oder • aus einer el. Bremsenergierückgewinnung, welche eine Speicherbatterie geladen hat, und/oder • aus einer separaten el. Energiequelle, insbesondere basierend auf den Zellen eines Thermoelektrischen Generators (TEG) und/oder auf Solarzellen, die trotz vergleichsweise geringer Leistung für eine zumeist weitgehend voll beladene Fahrzeugbatterie sorgt, indem sie die Batterie bei abgestelltem Fahrzeug über mehrere Stunden belädt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die technische Arbeit der Kompressionsmaschine (29) mittels eines eigenen Antriebes zur Verfügung gestellt wird, welcher mechanisch unabhängig von der Antriebswelle der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerzeiten der Motorein- und Motorauslassventile in Richtung sehr geringer oder gar keiner Ventilüberschneidung eingestellt sind, so dass die Rückwirkung des abgesenkten Abgasdruckes auf die Motoreinlassseite im wesentlichen auf den Einfluss des abgesenkten Druckes des Restgases innerhalb des Brennraums zum Zeitpunkt des Öffnens der Einlassventile beschränkt ist und nur eine leichte Korrektur der Drosselklappe (14) erforderlich macht, um den gewünschten Verbrennungsluftmassenstrom zu realisieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsteuerzeiten der Motorein- und Motorauslassventile eine Ventilüberschneidung aufweisen, so dass der Druck vor den Motoreinlassventilen in signifikantem Ausmaß von der Kompressionsmaschine (29) stromab der Motorauslassventile beeinflussbar ist und die damit einhergehende Beeinflussung des Verbrennungsluftmassenstroms von einer luftseitigen Expansionsmaschine (6) unter Feinabstimmung mit der Drosselklappe (14) kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsmaschine (29) eine die Brennkraftmaschine 15 umgehende Bypassleitung 15b mit ihrem Unterdruck beaufschlagt und damit auf den Verbrennungsluftbereich stromauf der Motoreinlassventile und stromab der Drosselklappe (14) einwirkt, und zwar derart, dass die Kompressionsmaschine (29) sowohl dem Bereich stromauf der Motoreinlassventile als auch dem Bereich stromab der Motorauslassventile einen Druck unterhalb des Druckes der Umgebungsluft aufprägt, welcher insbesondere im Bereich 0,25–0,94 bar Absolutdruck liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass es an einer Brennkraftmaschine mit Turboaufladung (17, 17w, 12) zum Einsatz kommt und die Kompressionsmaschine (29) stromab der Turbine (17) der Turboaufladung angeordnet ist und die Expansionsmaschine (6) mit dem Verdichter (12) der Turboaufladung zumindest temporär in Reihe liegend betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Turbolader bestehend aus Turbine (17), Verbindungswelle (17w) und Verdichter (12) die Abgasenergie nutzt, um der Verbrennungsluft mit dem Verdichter (12) einen erhöhten Totaldruck aufzuprägen, dieser erhöhte Totaldruck an einer Expansionsmaschine (6) teilweise in Nutzenergie umgewandelt wird und zur Aufladung einer Fahrzeugbatterie (11) verwendet wird und/oder zum Antrieb der abgasseitigen Kompressionsmaschine (29).
Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe (14) in der Motorteillast zumindest temporär so einstellbar ist, dass diese den Ansaugdruck der Verbrennungsluft stromauf der Motoreinlassventile bei gedrosselter Motorleistung absenkt, • während eine Vorrichtung stromab der Motorauslassventile dem Abgasmassenstrom mittels einer Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit zuführt, damit den statischen Druck des Abgases stromab der Motorauslassventile und stromauf der Kompressionsmaschine absenkt, • und damit der Brennkraftmaschine stromab der Motorauslassventile, insbesondere auch stromauf der Motoreinlassventile, einen Druck unterhalb des Umgebungsdruckes aufprägt, • und zwar derart, dass die von der Brennkraftmaschine aufzubringende Ladungswechselarbeit und der Kraftstoffstoffverbrauch reduziert werden.
Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms • eine Hauptdrosselklappe (14) in einem ersten zu den Motoreinlassventilen führenden Verbrennungsluftströmungszweig (5a) in der Motorteillast so einstellbar ist, dass diese den Ansaugdruck der Verbrennungsluft stromauf der Motoreinlassventile bei gedrosselter Motorleistung absenkt, • eine Zweitdrosselklappe (14z) in einem zweiten zu den Motoreinlassventilen führenden Verbrennungsluftströmungszweig (5b) in der Motorteillast so einstellbar ist, dass diese den Druck der Verbrennungsluft stromauf der Motoreinlassventile bei gedrosselter Motorleistung absenkt, • wobei der zweite Verbrennungsluftströmungszweig (5b) – bei geschlossener und/oder teilgeöffneter Hauptdrosselklappe (14) von Verbrennungsluft durchströmbar ist – und eine luftseitige Expansionsmaschine (6) umfasst, welche der Luftströmung technische Arbeit entzieht, in el. oder mechanische Energie wandelt und damit zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine (15) beiträgt, • und insbesondere, dass eine Motorsteuerung vorgesehen ist, die eine Priorisierung zwischen den beiden Drosselklappen (14 und 14z) vornimmt, und zwar derart, dass der Verbrennungsluftmassenstrom in der Motorteillast bevorzugt durch den zweiten Verbrennungsluftströmungszweig strömt.
Vorrichtung zum Betrieb einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass • eine Turboaufladung mittels eines Verdichters (12) verfügbar ist, welcher von einer Abgasturbine (17) über eine Welle (17w) antreibbar ist, • zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms in der Motorteillast eine Hauptdrosselklappe (14) zum Ausgleich eines Unterdruckes aus dem Betrieb einer Kompressionsmaschine (29) im Abgasstrang in Richtung reduzierter Drosselung verstellbar ist, • wobei dem Abgasmassenstrom in der Motorteillast über die Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit hinzufügbar ist, und • dass eine Expansionsmaschine (6) im Verbrennungsluftbereich stromauf der Motoreinlassventile angeordnet ist, welche der Verbrennungsluft technische Arbeit entzieht, welche zumindest teilweise durch die Kompressionsmaschine (29) nutzbar ist.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaswärmetauscher das Abgas vor dem Eintritt in die Kompressionsmaschine (29) abkühlt.
Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (6) in einem luftseitigen Bypasszweig (5b) parallel zu einem mittels eines Ventils (4a) entdrosselbaren Verbrennungsluftzweig (5a) angeordnet ist und/oder dass die Kompressionsmaschine (29) in einem abgasseitigen Bypasszweig (20b) parallel zu einem mittels eines Ventils (21a) entdrosselbaren Abgaszweig (20a) angeordnet ist, und bei hohem Leistungsbedarf der Brennkraftmaschine der/die entdrosselten Zweig(e) (4a, 20a) geöffnet werden.
Brennkraftmaschine der Kolbenbauart für Kraftfahrzeuge, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe (14) verstellbar ist, • stromauf der Motoreinlassventile – eine Vorrichtung zur Variation des Verbrennungsluftmassenstroms, welche den Verbrennungsluftmassenstrom zumindest temporär mitbestimmt und diesem gleichzeitig mittels einer Expansionsmaschine (6) technische Arbeit entzieht, – und insbesondere ein Turboverdichter 12 zur Aufladung und Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine bei erhöhter Last angeordnet ist, • stromab der Motorauslassventile – eine Vorrichtung zur Variation des Verbrennungsluftmassenstroms zugeordnet ist, welche den Verbrennungsluftmassenstrom zumindest temporär mitbestimmt und diesem in der Motorteillast gleichzeitig mittels einer Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit hinzuführt, – und insbesondere stromauf dieser Kompressionsmaschine ein Turbine (17) angeordnet ist, welche über eine Welle (17w) einem Turboverdichter (12) zur verbrennungsluftluftseitigen Aufladung und Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine bei erhöhter Last angeordnet ist.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung des Luftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe (14) verstellbar ist, deren Verstellung eine Vorrichtung zur Variation des Luftmassenstroms im Bereich stromab der Motorauslassventile zugeordnet ist, welche den Verbrennungsluftmassenstrom zumindest temporär mitbestimmt und dem Abgasmassenstrom bei Motorteillast gleichzeitig mittels einer Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit hinzuführt, • diese technische Arbeit mit einem elektrisch angetriebenen Verdichter (29) zugeführt wird, und • dass die hierzu erforderliche el. Antriebsleistung einer Fahzeugbatterie (11) entnehmbar ist, welcher über einen von der Brennkraftmaschine angetriebenen Generator (Lichtmaschine) beladbar ist sowie von einer weiteren der Kraftstoffeinsparung dienenden Ladestromquelle, wobei diese weitere Ladestromquelle insbesondere – auf einer Expansionsmaschine (6) basiert, welche den statischen Druck des Verbrennungsluftmassenstroms unter Aufnahme technischer Arbeit absenkt und über einen Generator in el. Energie umwandelt, und/oder – auf einer el. Bremsenergierückgewinnung, welche zuvor eine Speicherbatterie über ein immer vorzuhaltendes Mindestmaß geladen hat, und/oder – auf einer separaten el. Energiequelle, insbesondere basierend auf den Zellen eines Thermoelektrischen Generators (TEG) und/oder auf Solarzellen, die trotz vergleichsweise geringer Leistung für eine zumeist weitgehend voll beladene Fahrzeugbatterie sorgt, indem sie die Batterie bei abgestelltem Fahrzeug über mehrere Stunden belädt.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–14, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung des Luftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe (14) verstellbar ist, • deren Verstellung eine zweite Vorrichtung zur Einstellung des Luftmassenstroms zugeordnet ist, welche den Verbrennungsluftmassenstrom zumindest temporär mitbestimmt – und dem Abgasmassenstrom bei Motorteillast unter Drosselbetrieb der Hautdrosselklappe (14) mittels einer Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit hinzuführt, während der komplette über den Frischlufteintritt (1) aus der Umgebungsluft angesaugte Frischluftmassenstrom, durch die Brennkraftmaschine führt, – und/oder dem Verbrennungsluftmassenstrom und dem Abgasmassenstrom bei Motorteillast unter Drosselbetrieb der Hautdrosselklappe (14) gleichzeitig mittels der Kompressionsmaschine (29) einen Unterdruck aufgeprägt, während nur ein Teil des über den Frischlufteintritt (1) aus der Umgebungsluft angesaugten Frischluftmassenstroms (1) durch die Brennkraftmaschine führt, und zwar derart, – das der Verbrennungsluftmassenstrom gemeinsam mit einem nicht der Verbrennung dienenden Zusatzluftmassenstrom über eine Drosselvorrichtung im Saugrohr, insbesondere über die Hauptdrosselklappe (14), geführt wird, – der Zusatzluftmassenstrom die Brennkraftmaschine umgeht • und gemeinsam mit dem Abgasmassenstrom durch die Kompressionsmaschine (29) geführt wird, • während der Verbrennungsluftmassenstrom über die Motoreinlassventile in den Brennraum gefördert wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–16, dadurch gekennzeichnet, dass • zur Einstellung des Luftmassenstroms eine Hauptdrosselklappe (14) verstellbar ist, deren Verstellung eine zweite Vorrichtung zur Variation des Luftmassenstroms zugeordnet ist, welche – den Verbrennungsluftmassenstrom zumindest temporär mitbestimmt, – dem Verbrennungsluftmassenstrom bei Motorteillast gleichzeitig mittels einer Expansionsmaschine (6) technische Arbeit entzieht und diese mittels eines Generators (7) in el. Energie umwandelt und einen Energiespeicher (11) bis zum Erreichen eines Mindestladezustandes belädt, • und diesem Energiespeicher (11) ein elektromotorischer Antrieb zugeordnet ist, der unter Einhaltung des Mindestladezustandes überschüssige el. Leistung in Form mechanischer Leistung an die Antriebsräder des Fahrzeugs abgibt.
Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine der Kolbenbauart, bei der Verbrennungsluft, insbesondere Verbrennungsluft und rückgeführtes Abgas, über eine Luftansaugleitung, eine zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms verwendbare Drosselklappe (14) und Motoreinlassventile in den Brennraum (die Brennräume) der Brennkraftmaschine gefördert und dort zur Verbrennung verwendet wird, die Verbrennungsabgase anschließend über Motorauslassventile in eine Abgasleitung ausgeschoben werden und schließlich über eine Auspuffleitung in die Umgebungsluft gefördert, insbesondere Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1–17, aufweisend • eine erste Vorrichtung zur Einstellung des Verbrennungsluftmassenstroms bei welcher eine Hauptdrosselklappe (14) von der Motorsteuerung verstellbar ist und damit der Verbrennungsluftmassenstrom einstellbar, • eine zweite Vorrichtung, welche dem Abgasmassenstrom bei einem Betriebszustand mit Drosselbetrieb der Hauptdrosselklappe (14) in der Motorteillast mittels einer elektrisch angetriebenen abgasseitigen Kompressionsmaschine (29) technische Arbeit hinzuführen kann, • und/oder • eine dritte Vorrichtung, welche der Kurbelwelle oder den Antriebsrädern auf elektrischem Weg, insbesondere über eine vom Generator- auf Motorbetrieb umschaltbare Lichtmaschine, bei drehender Brennkraftmaschine (15) eine Zusatzantriebsleistung zuführen kann, welche insbesondere auf Werte unterhalb von 1–3 kW beschränkt ist, • eine luftseitige Expansionsmaschine (6), welche den statischen Druck des Verbrennungsluftmassenstroms unter Aufnahme technischer Arbeit absenkt und über einen Generator in für den Antrieb nutzbare el. Energie umwandelt, • und insbesondere, eine/mehrere speicherbasierte el. Energiequelle(n), und zwar in Form – einer el. Bremsenergierückgewinnung, – und/oder einen Thermoelektrischen Generator (TEG), – und/oder Solarzellen, welche einen Energiespeicher (11) vor dem Abrufzeitpunkt der el. Energie für den Antrieb der zweiten und/oder dritten Vorrichtung beladen, insbesondere bei vorhergehenden Bremsvorgängen, bei vorhergehender Fahrt mit hoher Motorlast oder bei abgestelltem Fahrzeug.