DE102015116162B4

DE102015116162B4 - Drucklufterzeugungseinrichtung

Info

Publication number: DE102015116162B4
Application number: DE102015116162.1A
Authority: DE
Inventors: Johann Baumgartner
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Nutzfahrzeuge GmbH
Priority date: 2015-09-24
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2035-09-25
Also published as: DE102015116162A1

Abstract

Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader (27) sowie einer Drucklufterzeugungseinrichtung (1) für ein Fahrzeug, zur Erzeugung von Druckluft, aufweisend:a) einen ersten Verdichter (2), undb) einen zweiten Verdichter (3), der als Vorverdichter für den ersten Verdichter (2) ausgelegt ist,wobei der zweite Verdichter (3) mit einem Verdichter (25) eines Abgasturboladers (27) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs in Wirkverbindung steht,wobei der erste Verdichter (2) in einem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit einem Lufteinlass (10) verbunden ist, und in einem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem zweiten Verdichter (3) verbunden ist,wobei die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) ein Dreiwegeventil (6) aufweist, welches den ersten Verdichter (2) in dem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem Lufteinlass (10) verbindet, und in dem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem zweiten Verdichter (3) verbindet,wobei das Dreiwegeventil (6) mit einem ersten Eingangsanschluss (6a) mit dem Lufteinlass (10), mit einem zweiten Eingangsanschluss (6b) mit dem zweiten Verdichter (3) und mit einem Ausgangsanschluss (6c) mit einem Einlass des ersten Verdichters (2) verbunden ist,wobei die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) Ventile (16, 17), welche den zweiten Verdichter (3) in dem dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem Verdichter (25) des Abgasturboladers (27) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit der Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbinden, aufweist,dadurch gekennzeichnet, dassder zweite Verdichter (3) durch einen Elektromotor (4) angetrieben ist und über ein erstes Ventil (16) mit dem zweiten Eingangsanschluss (6b) des Dreiwegeventils (6) und über ein zweites Ventil (17) und ein Rückschlagventil (18) mit einer Ansaugleitung (20) des Verdichters (25) des Abgasturboladers (27) oder der Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader sowie einer erfindungsgemäßen Drucklufterzeugungseinrichtung für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Drucklufterzeugungseinrichtung einer solchen Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Schwere Lastwagen und Omnibusse sind üblicherweise mit Druckluft-Bremsanlagen ausgerüstet. Die benötigte Druckluft wird dabei durch einen vom Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetriebenen Kompressor erzeugt und in Druckbehältern gespeichert. Durch diese Speicherung können kurzfristig höherer Luftbedarf abgedeckt und Stillstandsphasen des Antriebsmotors überbrückt werden.
Als Kompressor dient üblicherweise ein Hubkolbenverdichter, der je nach Leistungsbedarf ein- oder zweizylindrig ausgebildet ist. Bei höheren Antriebsdrehzahlen verfügt der Kompressor über eine erhebliche Leistungsaufnahme, wodurch der Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs erhöht und die vom Verbrennungsmotor abgegebene Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs reduziert wird.
Es ist deshalb wünschenswert, die benötigte Druckluft möglichst nur in Brems- und Schubbetriebs-Phasen des Fahrzeuges zu erzeugen sowie den Kompressor im Fahrbetrieb drucklos zu betreiben oder über eine Trennkupplung abzuschalten.
Mit dieser Lösung wird die für den Antrieb des Kompressors benötigte Energie in Verzögerungsphasen aus der Bewegungsenergie des Fahrzeuges bezogen, womit zudem auch eine zusätzliche Bremsleistung zur Verfügung gestellt wird.
Der Nachteil einer Lösung besteht darin, dass zur Erzeugung der benötigten Druckenergie in den relativ kurzen Brems- und Schubbetriebsphasen eines Fahrzeugs sehr leistungsstarke und damit groß bauende Kompressoren benötigt werden. Eine Alternative ist ein Hochtrieb des Kompressors in den Schubbetriebs- und Bremsphasen durch ein zuschaltbares Getriebe und ggf. Abschalten im Fahrbetrieb durch eine schaltbare Trennkupplung. Diese Lösungen sind jedoch kostenintensiv und erhöhen die Störanfälligkeit der Druckluftversorgungseinrichtung.
DE 10 2007 033 693 A1 beschreibt eine Anordnung zur Rückgewinnung ungenutzter Energie von Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, welche eine vom Abgas angetriebene Ladeeinrichtung zur Erzeugung komprimierter Ansaugluft für die Verbrennungsmaschine und einen Luftkompressor mit zumindest einer Verdichtungsstufe aufweist. Der Luftkompressor ist mit der Ladeeinrichtung zur Entnahme von zumindest einer Teilmenge der komprimierten Ansaugluft verbunden.
US 2008/0133110 A1 beschreibt ein Verbrennungskraftmaschinensystem mit Turboaufladung, welches eine schnelle Reaktion auf eine erhöhte Leistungsanforderung und eine verringerte Reaktionszeitverzögerung aufweist. Das System umfasst ein Wirbelrohr zur Lieferung von Kaltluft in den Kompressor des Turboladers, wo sie zur Kühlung des Laufrads und/oder zur Beschleunigung der Laufraddrehgeschwindigkeit und/oder zur Verschiebung der Kompressor-Pumplinie bei niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Lasten verwendet werden kann. Kaltluft aus dem Wirbelrohr kann auch zum Betrieb einer Ejektorpumpe in der Einlassleitung benutzt werden, welche weiterhin Einlassluft komprimiert und eine Motoraufladung bei Zuständen hoher Leistungsanforderung erhöht. Zusätzlich zur Erhöhung einer Motorausgangsleistung reduziert die Lieferung von Kaltluft in den Motoreinlass ebenfalls eine Motorfrühzündung (Klopfen), wodurch Emissionen verringert werden. Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungsmaschine mit Turbolader beschrieben.
DE 196 47 959 C1 betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader, der mit einem Verdichter zur Aufladung der zugeführten Frischluft und einer im Abgasstrom angeordneten Abgasturbine versehen ist. Ein Luftretarder für Bremsbetrieb, der mit einer Luftableitung versehen ist, ist über eine Druckluftleitung mit der Eingangsseite des Verdichters verbindbar. Zur Steuerung des Luftretarders für den Motorbremsbetrieb oder für den Aufladebetrieb über eine Regeleinrichtung ist der Luftdurchsatz durch die Luftableitung oder über die Druckluftleitung regelbar.
DE 10 2010 047 821 A1 beschreibt eine Luftverdichtungseinrichtung für einen Kraftwagen, insbesondere einen Nutzkraftwagen, mit einem Luftkompressor, welcher einen ersten Verdichter und wenigstens einen zweiten Verdichter umfasst, mittels welchen Luft für eine Druckluftanlage des Kraftwagens zu verdichten ist, wobei die Verdichter wahlweise zwischen einem seriellen zueinander geschalteten Betriebszustand und einem parallel zueinander geschalteten Betriebszustand umschaltbar sind, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Luftverdichtungseinrichtung.
DE 34 35 732 A1 beschreibt ein Turbo-Verbund-Kompressoraggregat, welches einen mit der Ausgangswelle einer an der Auslassseite einer Expansionsturbine eines Turboladers für eine Brennkraftmaschine angeordneten und von den Abgasen der Brennkraftmaschine antreibbaren Energie-Rückgewinnungsturbine verbundenen Vorkompressor aufweist. Ein von der Brennkraftmaschine antreibbarer Kreiselkompressor mit positiver Verdrängung ist über eine mit einem Drosselventil bestückte Luftzuleitung mit vom Vorkompressor geförderter Luft gespeist. Das Turbo-Verbund-Kompressoraggregat ist ferner mit einer mit einem Absperrventil bestückten Bypassleitung zur Vorbeugung gegen das Auftreten von Druckstau im Vorkompressor versehen.
DE 196 37 571 A1 beschreibt eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem weiteren Luftverdichter zum Antrieb eines Personenkraftwagens. Die Brennkraftmaschine wird mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch betrieben. Zwischen dem Abgasturbolader und dem Luftverdichter ist eine Überschuss-Rückführleitung vorgesehen, über die beim Überschreiten eines maximal zulässigen Ladedrucks die von dem Abgasturbolader erzeugte überschüssige Ladeluft auf die Saugseite des weiteren Luftverdichters geleitet wird. Dadurch kann eine Reduzierung der Antriebsleistung des weiteren Luftverdichters, der ansonsten mechanisch angetrieben ist, und ggf. sogar ein Rückgewinn an mechanischer Arbeit durch Betrieb des weiteren Luftverdichters als Kraftmaschine bewirkt werden. Der Luftverdichter ist ein Kompressor, an den ein Fremdluftverbraucher anschließbar ist. Dabei wird der Abgasturbolader so ausgelegt, dass ein wesentlich höherer Ladedruck erzeugt werden kann, als von der Brennkraftmaschine benötigt wird. Diese über die benötigte Ladeluft erzeugte Überschussluft wird dem Eingang des als Kompressor ausgebildeten Luftverdichter zugeführt. In einer Variante werden zwei Abgasturbolader verwendet, wobei der zweite Abgasturbolader von dem Abgasstrom aus dem ersten Turbolader angetrieben wird.
Als nachteilig wird hierbei gesehen, dass die vom Abgas angetriebene Ladeeinrichtung in Brems- und Schubbetriebs-Phasen des Fahrzeuges nur einen geringen Abgasstrom für die Ladeeinrichtung liefert.
Weiterhin sind alle diese Maßnahmen nur für Neufahrzeuge realisierbar, wogegen für die bereits im Verkehr befindlichen LKW und Omnibusse die Vorteile einer derartigen Lösung nicht nutzbar gemacht werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Drucklufterzeugungseinrichtung in Nutzfahrzeugen zu schaffen, die die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwindet.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren nach dem Anspruch 11 gelöst.
Geschaffen wird eine erfindungsgemäße Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader sowie einer Drucklufterzeugungseinrichtung für ein Fahrzeug zur Erzeugung von Druckluft, welche folgendes aufweist: einen ersten Verdichter, und einen zweiten Verdichter, der als Vorverdichter für den ersten Verdichter ausgelegt ist.
Damit ist es vorteilhaft möglich, dass der erste Verdichter schon vorverdichtete Ansaugluft auch in Brems- und Schubbetriebs-Phasen eines Fahrzeugs erhält und einen nur entsprechend geringen Bauraum beansprucht.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass der zweite Verdichter mit einem Verdichter eines Abgasturboladers des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs in Wirkverbindung steht.
Dies bietet die Möglichkeit dazu, den zweiten Verdichter in Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs vorteilhaft zur Erhöhung des Ladeluftdruckes des Abgasturboladers einzusetzen und dadurch das sogenannte „Turboloch“ entweder vollständig zu unterbinden oder jedenfalls weitgehend zu kompensieren.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer Drucklufterzeugungseinrichtung der oben genannten Anordnung, wobei die Anordnung einen Abgasturbolader mit einer Abgasturbine sowie mit einem Verdichter, einen ersten Verdichter und einen zweiten Verdichter, welcher durch einen Elektromotor angetrieben ist, aufweist, umfasst die Verfahrensschritte: (S1) Verbinden des ersten Verdichters in einem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit einem Lufteinlass und Verdichten von angesaugter Luft und Speichern der verdichteten Luft; (S2) Verbinden des ersten Verdichters in einem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem zweiten Verdichter und Einschalten des zweiten Verdichters zum Vorverdichten von Luft für den ersten Verdichter; und (S3) Verbinden des zweiten Verdichters in dem dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem Verdichter des Abgasturboladers des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs.
Im Verfahrensschritt (S3) schließt die Steuereinrichtung das erste Ventil, öffnet das zweite Ventil und schaltet den zweiten Verdichter ein.
Somit wird der zweite Verdichter vorteilhaft nicht nur zur Vorverdichtung von Ansaugluft für den ersten Verdichter verwendet, sondern kann auch das so genannte Turboloch weitestgehend verringern, indem die von ihm verdichtete Luft dem Verdichter des Abgasturboladers zur Verfügung gestellt wird.
In der bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der zweite Verdichter durch einen Elektromotor angetrieben. Dadurch kann der zweite Verdichter einfach und damit vorteilhaft unabhängig von dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs abhängig vom momentanen Druckluftbedarf ein- oder ausgeschaltet werden.
In der bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass der erste Verdichter in einem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit einem Lufteinlass verbunden ist, und in einem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem zweiten Verdichter verbunden ist. Damit kann der erste Verdichter nicht nur in dem ersten Betriebszustand, sondern auch in dem dritten Betriebszustand, wenn der zweite Verdichter den Verdichter des Abgasturboladers versorgt, Druckluft zum Speichern erzeugen.
Es ist in der bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass die Drucklufterzeugungseinrichtung ein Dreiwegeventil aufweist, welches den ersten Verdichter in dem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem Lufteinlass verbindet, und in dem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem zweiten Verdichter verbindet. Damit ist eine einfache Umschaltung bzw. Verbindungsumschaltung möglich.
Hierzu ist es in der bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass das Dreiwegeventil mit einem ersten Eingangsanschluss mit dem Lufteinlass, mit einem zweiten Eingangsanschluss mit dem zweiten Verdichter und mit einem Ausgangsanschluss mit einem Einlass des ersten Verdichters verbunden ist. Dies ergibt einen kompakten Aufbau.
In der bevorzugten Ausführung weist die Drucklufterzeugungseinrichtung Ventile auf, welche den zweiten Verdichter in dem dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem Verdichter des Abgasturboladers des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit der Saugleitung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbinden. Damit wird eine einfache Umsteuerung der Verbindung des zweiten Verdichters ermöglicht.
Hierzu ist es in der bevorzugten Ausführung weiterhin vorgesehen, dass der zweite Verdichter über ein erstes Ventil mit dem zweiten Eingangsanschluss des Dreiwegeventils und über ein zweites Ventil und ein Rückschlagventil mit einer Ansaugleitung des Verdichters des Abgasturboladers des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbunden ist. Das ist ein vorteilhaft einfacher und kompakter Aufbau.
Der erste Verdichter ist in einer weiteren Ausführung durch einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetrieben.
Das Dreiwegeventil ist in einer Ausführung bevorzugt als Sitzventil ausgeführt. Durch die Ausführung als Sitzventil wird das Ventil vorteilhaft selbsttätig allein durch die im Ventil herrschenden Druckverhältnisse geschaltet. Dadurch wird die Steuereinrichtung der Drucklufterzeugungseinrichtung vorteilhaft vereinfacht.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist der erste Verdichter bevorzugt als Kolbenverdichter ausgeführt. Diese Verdichterbauart erzeugt auf einfache Weise die benötigte Druckluft.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist der zweite Verdichter als Turboverdichter ausgeführt. Diese Verdichterbauart arbeitet vorteilhaft kontinuierlich und zeichnet sich durch einen hohen Volumendurchsatz aus.
Der Turboverdichter kann als Radialverdichter ausgeführt sein.
Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann die Drucklufterzeugungseinrichtung einen Lüftkühler aufweisen, wobei der Luftkühler zumindest den verdichteten Luftstrom des zweiten Verdichters kühlt. Dadurch wird der erste Verdichter gekühlt und so vorteilhaft gegen Überhitzung geschützt.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung weist die Drucklufterzeugungseinrichtung eine Verbindungsleitung zwischen einem zweiten Abschnitt einer Luftkühlerleitung und dem Verdichter des Abgasturboladers oder einer Saugleitung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs auf. Dadurch wird auf einfache und damit vorteilhafte Weise die Wirkverbindung der Drucklufterzeugungseinrichtung mit dem Abgasturbolader des Verbrennungsmotors hergestellt.
In einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung weist die Drucklufterzeugungseinrichtung einen Lufttrockner auf. Dadurch sind in vorteilhafter Weise nachgeschaltete Bauteile einer mit Druckluft betriebenen Bremsanlage des Fahrzeugs oder einer mit Druckluft betriebenen Luftfederanlage des Fahrzeugs gegen innere Korrosion weitestgehend geschützt.
In einer weiteren Ausführung ist die erfindungsgemäße Anordnung des Verbrennungsmotors mit dem Abgasturbolader sowie der Drucklufterzeugungseinrichtung für ein Nutzfahrzeug vorgesehen. Dadurch erweitert sich der Einsatzbereich.
In einer Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens schließt im Verfahrensschritt (S1) die Steuereinrichtung das erste Ventil. Damit wird eine einfache Umsteuerung möglich.
In einer anderen Ausführung ist vorgesehen, dass im Verfahrensschritt (S2) die Steuereinrichtung das erste Ventil öffnet, das zweite Ventil schließt und den zweiten Verdichter einschaltet. Dies kann vorteilhaft einfach, z.B. durch wenige Programmbefehle erfolgen.
Auch die bevorzugte Ausführung, bei der vorgesehen ist, dass im Verfahrensschritt (S3) die Steuereinrichtung das erste Ventil schließt, das zweite Ventil öffnet und den zweiten Verdichter einschaltet, ist vorteilhaft einfach zu realisieren.
In einer anderen Ausführung erfolgt im Verfahrensschritt (S3) ein Sensieren eines Abgasstroms vor der Abgasturbine des Abgasturboladers und Auswerten der erfassten Daten, und im Falle eines zu geringen Abgasstroms erfolgt das Verbinden des zweiten Verdichters mit dem Verdichter des Abgasturboladers des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs durch die Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung kann hierzu in einfacher Weise selbst die Auswertung durchführen oder Auswertungsdaten einer vorhandenen Motorsteuerung übernehmen.
In weiteren Ausführung erfolgt ein Abschalten des Elektromotors des zweiten Verdichters durch die Steuereinrichtung, nachdem ein ausreichend großer Abgasstrom vor der Abgasturbine des Abgasturboladers sensiert wurde, wonach ein gleichzeitig Schließen des Ventils und Öffnen des Ventils durch die Steuereinrichtung erfolgt. Dies ist in vorteilhaft einfacher Weise möglich. Hierzu können auch weitere Daten aus der Motorsteuerung verwendet werden, z.B. Messwerte von Drucksensoren stromabwärts von dem Verdichter des Abgasturboladers.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Drucklufterzeugungseinrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Drucklufterzeugungseinrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1: ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Drucklufterzeugungseinrichtung; und
2: ein p-V-Diagramm eines Kompressors mit und ohne Vorverdichtung durch die erfindungsgemäße Druckerzeugungseinrichtung nach 1.

In 1 ist ein Blockschaltbild einer Drucklufterzeugungseinrichtung 1 dargestellt. Die Drucklufterzeugungseinrichtung 1 weist einen ersten Verdichter 2, einen zweiten Verdichter 3, ein Luftkühler 5, ein Dreiwegeventil 6, Ventile 16, 17, 18 und eine Steuereinrichtung 15 auf.
Der erste Verdichter 2 wird durch einen Verbrennungsmotor (hier nicht dargestellt) angetrieben, der primär ein Fahrzeug antreibt, in das die Druckerzeugungseinrichtung 1 eingebaut ist. Der erste Verdichter 2 ist bevorzugt als Kolbenverdichter ausgeführt, alternativ sind auch andere Verdichterbauformen möglich.
In den ersten Verdichter 2 mündet eine Verdichteransaugleitung 2a, durch die zu verdichtende Luft durch den ersten Verdichter 2 angesaugt wird. An dem stromaufwärts gerichteten Ende der Verdichteransaugleitung 2a ist das Dreiwegeventil 6 der Drucklufterzeugungseinrichtung 1 angeschlossen.
Das Dreiwegeventil 6 weist zwei Eingangsanschlüsse 6a und 6b und einen Ausgangsanschluss 6c auf. In den Anschluss 6a mündet eine erste Einlassleitung 10a, die stromaufwärts mit einem Lufteinlass 10 verbunden ist. Der Anschluss 6b ist mit einer Verbindungsleitung 19 über das Ventil 16 verbunden. An dem Anschluss 6c ist die Verdichteransaugleitung 2a angeschlossen.
Die Verbindungsleitung 19 verbindet das Ventil 16, das Ventil 17 und einen Auslass einer Luftkühlerleitung 5b des Luftkühlers 5. Ein Einlass des Luftkühlers 5 ist über eine weitere Luftkühlerleitung 5a mit einem Auslass des zweiten Verdichters 3 verbunden.
Der zweite Verdichter 3 ist mit einem Einlass über eine zweite Einlassleitung 10b an den Lufteinlass 10 angeschlossen, der auch mit der ersten Einlassleitung 10a kommuniziert.
Das Dreiwegeventil 6 weist zwei mögliche Schaltstellungen auf. In einer ersten Schaltstellung ist der Anschluss 6c mit dem Anschluss 6a verbunden, wobei der Anschluss 6b gesperrt ist. In der zweiten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 ist der Anschluss 6c mit dem Anschluss 6b verbunden, und der Anschluss 6a ist gesperrt. Mit anderen Worten, in der ersten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 ist der erste Verdichter 2 mit seinem Einlass direkt mit dem Lufteinlass 10 verbunden und kann aus dem Lufteinlass 10 Luft zum Verdichten ansaugen. In der zweiten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 sind gleichzeitig das Ventil 16 geöffnet und das Ventil 17 geschlossen, so dass der Einlass des ersten Verdichters 2 über den Luftkühler 5 mit dem Auslass des zweiten Verdichters 3 kommuniziert. Dabei erhält der erste Verdichter 2 vorverdichtete Luft aus dem zweiten Verdichter 2, welcher Luft aus dem Lufteinlass 10 über die zweite Lufteinlassleitung 10b ansaugt.
In der zweiten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 sind der erste Verdichter 2 und der zweite Verdichter 3 in Reihe bzw. hintereinander geschaltet.
Mit anderen Worten, die erste Einlassleitung 10a bildet einen ersten Luftpfad, und die zweite Einlassleitung 10b mit dem zweiten Verdichter 3 bildet einen zweiten Luftpfad. Diese Luftpfade verlaufen parellel zueinander und sind an dem Dreiwegeventil 6 angeschlossen. In der ersten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 bezieht der erste Verdichter 2 Luft aus dem Lufteinlass 10 über den ersten Luftpfad, wobei der zweite Luftpfad zum Dreiwegeventil 6 blockiert ist. In der zweiten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 ist der erste Luftpfad blockiert, und der erste Verdichter 2 ist über den zweiten Luftpfad und den zweiten Verdichter 3 mit dem Lufteinlass 10 verbunden, wobei der zweite Verdichter 3 eine Vorverdichtung für den ersten Verdichter 2 bildet.
Das Dreiwegeventil 6 ist bevorzugt z.B. als Sitzventil ausgeführt, alternativ sind auch andere Ventilbauformen möglich. Durch die Bauart als Sitzventil arbeitet des Dreiwegeventil 6 selbstständig ohne die Notwendig von Fremdenergie zur Aktuierung von Schaltvorgängen.
Der zweite Verdichter 3 ist durch einen Elektromotor 4 angetrieben. Der zweite Verdichter 3 ist bevorzugt als Turboverdichter, bevorzugt als Radialverdichter ausgeführt, alternativ sind auch andere Verdichterbauformen möglich.
Der Luftkühler 5 hat die Aufgabe, die durch die Verdichtung im zweiten Verdichter 3 erwärmte Luft zu kühlen, bevor die vorverdichtete Luft z.B. den ersten Verdichter 2 erreicht. Dadurch wird der erste Verdichter 2 gekühlt und so vorteilhaft gegen Überhitzung geschützt.
Das Ventil 16 und das Ventil 17 sind als Elektromagnetventile ausgeführt und stehen in Wirkverbindung mit der Steuereinrichtung 15 der Druckluferzeugungseinrichtung 1.
Die Drucklufterzeugungseinrichtung 1 weist hier einen Lufttrockner 7 auf. Hinter dem ersten Verdichter 2 schließt sich stromabwärts eine Druckleitung 2b an, die in den Lufttrockner 7 mündet. Der Lufttrockner 7 hat die Aufgabe, die durch den ersten Verdichter 2 und durch den zweiten Verdichter 3 - sofern der zweite Verdichter 3 als Vorverdichter für den ersten Verdichter 2 geschaltet ist - erzeugte Druckluft von Feuchtigkeit zu befreien, damit nachgeschaltete Bauteile einer mit Druckluft betriebenen Bremsanlage des Fahrzeugs oder einer mit Druckluft betriebenen Luftfederanlage des Fahrzeugs vorteilhaft gegen innere Korrosion weitestgehend geschützt sind.
Hinter dem Lufttrockner 7 schließt sich stromabwärts eine erste Lufttrocknerverbindungsleitung 7a an. Die Drucklufterzeugungseinrichtung 1 weist hier ein Mehrkreis-Schutzventil 9 auf. Die erste Lufttrocknerverbindungsleitung 7a mündet in das Mehrkreis-Schutzventil 9, durch das die erzeugte Druckluft Druckluftspeichern und Druckluftverbrauchern des Fahrzeugs, wie z.B. einer mit Druckluft betriebenen Bremsanlage oder einer mit Druckluft betriebenen Luftfederanlage zugeleitet wird. Das Mehrkreis-Schutzventil 9 weist dazu mehrere Anschlüsse 21, 22, 23, 24 auf, deren Funktionen dem Fachmann bekannt sind und daher hier nicht weiter behandelt werden.
Die Drucklufterzeugungseinrichtung 1 weist einen oder mehrere nicht dargestellte, aber leicht vorstellbare Druckluftspeicher auf. Der bzw. die Druckluftspeicher speichern die erzeugte, jedoch zum Erzeugungszeitpunkt nicht benötigte Druckluft. Eine Abschaltbedingung für den Verdichterbetrieb ist üblicherweise dann erreicht, wenn ein definierter Nenndruck der Druckluft in dem (den) Druckluftspeicher(n) erreicht ist.
Stromabwärts hinter dem Ventil 17 weist die Verbindungsleitung ein Ventil 18 auf, das als Rückschlagventil dient und hier als Sitzventil ausgeführt ist. Die Verbindungsleitung 19 mündet schließlich in eine Ansaugleitung 20 eines Verdichters 25 eines Abgasturboladers 27. Die Ansaugleitung 20 ist eine übliche Saugleitung des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 und ist mit einem Ende über ein Rückschlagventil 20a mit einem Lufteinlass LE verbunden und mit dem anderen Ende an einen Einlass des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 angeschlossen. Der Anschluss der Verbindungsleitung 19 ist zwischen dem Rückschlagventil 20a der Ansaugleitung 20 und dem Einlass des Verdichters 25 des Abgasturboladers angeordnet.
Die Aufgabe des Ventils 18 besteht darin, das Ventil 17 und somit die Verbindungsleitung 19 von der Einlassleitung 20 so zu entkoppeln, dass Druckzustände der Einlassleitung 20 weder das Ventil 17 noch die Verbindungsleitung 19 beeinflussen können.
Das Ventil 20a ist notwendig, damit bei einer Beaufschlagung der Ansaugleitung 20 mit Druckluft aus der Verbindungsleitung 19 diese Druckluft nicht über den Lufteinlass LE in die Atmosphäre strömt, sondern dem Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 in einem aufgeladenen Betrieb zugeführt wird. Ein Ansaugen von Luft aus dem Lufteinlass LE durch den Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 in einem normalen Saugbetrieb des Abgasturboladers 25 wird jedoch ermöglicht.
Der Verdichter 25 arbeitet auf der sogenannten Luftseite des Abgasturboladers 27. Der Abgasturbolader 27 steht in Wirkverbindung mit dem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs, dementsprechend wird der Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 durch einen Abgasstrom AS des Verbrennungsmotors über eine abgasseitige Abgasturbine 26 angetrieben. Die durch den Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 verdichtete Luft wird dem Verbrennungsmotor über dessen Saugleitung 20b zugeführt und bewirkt eine Leistungssteigerung des Verbrennungsmotos durch eine Befüllung der Brennräume mit Verbrennungsluft unter Überdruck.
Da der prinzipielle Aufbau eines Abgasturboladers 27 in Wirkverbindung mit einem Verbrennungsmotors mit innerer Verbrennung und zyklischer Arbeitsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird auf eine detaillierte Beschreibung des Abgasturboladers 27 an dieser Stelle verzichtet.
In der in 1 dargestellten Konstellation ist die Verbindungsleitung 19 an mit der Ansaugleitung 20 vor dem Einlass des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 angeschlossen. Wenn nun die Verbindungsleitung 19 mit Druckluft von dem zweiten Verdichter 3 beaufschlagt wird, sind der zweite Verdichter 3 und der Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 in Reihe geschaltet.
Es ist aber auch möglich, dass der zweite Verdichter 3 und der Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 parallel geschaltet sind. Dies ist nicht gezeigt, aber leicht vorstellbar. In einer solchen Konstellation ist das Rückschlagventil 20a in der Saugleitung 20b stromabwärts hinter dem Auslass des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 angeordnet. Die Verbindungsleitung 19 mündet dabei weiter stromabwärts hinter dem Rückschlagventil 20a in die Saugleitung 20b.
Die Steuereinrichtung 15 der Drucklufterzeugungseinrichtung 1 ist bevorzugt als elektrische oder elektronische Steuereinrichtung konzipiert.
2 zeigt einen beispielhaften Arbeitsprozess des ersten Verdichters 2 in einem p-V-Diagramm, in welchem ein Druck P über einem Volumen V aufgetragen ist. Eine Kurve 13 ist dem ersten Verdichter 2 ohne Vorverdichtung zugeordnet, wobei eine Kurve 14 dem ersten Verdichter 2 mit Vorverdichtung durch den zweiten Verdichter 3 zugeordnet ist.
Unterhalb der Abszisse ist ein Verdichterzylinder 11 mit einem Verdichterkolben 12 des ersten Verdichters 2 schematisch dargestellt. Der Verdichterkolben 12 ist in einer Stellung in einem oberen Totpunkt OT und in einer Stellung in einem unteren Totpunkt UT angedeutet. Von dem oberen Totpunkt OT bis zu dem unteren Totpunkt UT durchläuft der Verdichterkolben 12 ein Hubvolumen V_H .
Eine vorteilhafte Liefergradsteigerung des ersten Verdichters 2 wird durch zwei Effekte erzielt:
Eine Dichteerhöhung der Ansaugluft des ersten Verdichters 2 durch den zweiten Verdichter 3 oder Vorverdichters, z.B. um den Faktor 2, führt zu einer entsprechenden Erhöhung der vom ersten Verdichter 2 geförderten Luftmenge.
Eine weitere Verbesserung des Liefergrades des ersten Verdichters 2 ergibt sich aus einem geringeren Rückexpansionsvolumen V_R . Die bei Verdichtungsende im Schadraum V_T des Verdichterzylinders 11 des ersten Verdichters 2, der vorzugsweise als Kolbenverdichter ausgeführt ist, verbliebene Luft entspannt sich bei Zurückgehen des Verdichterkolbens 12 von einem Maximaldruck P_e (>12 bar) auf einen Ansaugdruck P_u (bei Saugbetrieb <1bar). Mit dem Begriff „Schadraum“ ist das Volumen im Zylinder einer Kolbenmaschine (hier des ersten Verdichters 2) zwischen einem Zylinderkopf oder einem Zylinderdeckel und dem Verdichterkolben 12 in dem (oberen) Totpunkt O_T des Verdichterkolbens 12 gemeint.
Entsprechend des Druckverhältnisses dehnt sich die Luft bis zu einem Vielfachen des Schadraumvolumens V_T aus, bis der Ansaugdruck P_u erreicht ist und Luft aus der Umgebung eingesaugt wird. Hierdurch entsteht eine erhebliche Minderung eines Ansaugvolumens (Rückexpansionsvolumen bei Saugbetrieb) V_R1 von ca. 30%. Bei einem Betrieb mit Vorverdichtung durch den zweiten Verdichter 3 oder Vorverdichters entspannt sich das Schadraumvolumen V_T nur bis zum Erreichen eines Vordruckes P_V (ca. 2 bar), wodurch die Minderung eines Einlassvolumenstromes (Rückexpansionsvolumen mit Vordruck) V_R2 mit ca. 20% erheblich geringer ausfällt.
Darüber hinaus sinkt - infolge der Vorverdichtung (2 bar) - das vom ersten Verdichter 2 zu erzeugende Druckverhältnis bei gleichem Enddruck P_e von 12 bar von 12 : 1 auf 6 : 1. Da die Einlassluft des ersten Verdichters 2 durch den Luftkühler 5 zwischengekühlt ist, ergibt sich eine erheblich niedrigere Endtemperatur der durch den ersten Verdichter 2 erzeugten Druckluft.
Durch den zweistufigen Prozess der Drucklufterzeugungseinrichtung 1 mit Zwischenkühlung ist auch der Gesamtwirkungsgrad der Drucklufterzeugungseinrichtung 1 höher als im Vergleich zu Drucklufterzeugungseinrichtungen ohne Vorverdichtung, was zusätzlich zu niedrigeren Verdichtungstemperaturen führt.
Ggf. können auch andere Anforderungen an den ersten Verdichter 2 abgemildert werden. Z.B. lässt das niedrige Verdichtungsverhältnis eher einen etwas größeren Schadraum V_T zu, ohne dadurch signifikant höhere Leistungseinbußen zu verursachen, wodurch Toleranzen von Bauteilen des ersten Verdichters 2 entschärft werden können und ggf. vorhandene Quetschströmung zwischen einem Kolbenboden des Verdichterkolbens 12 und einer Zylinderwand des Verdichterzylinders 11 vermieden wird, was wiederum eine Erhöhung des Liefergrades des ersten Verdichters 2 zur Folge haben kann.
Im Folgenden wird die Funktion der Drucklufterzeugungseinrichtung 1 erläutert.
Der zuschaltbare, elektrisch angetriebenen zweite Verdichter 3 oder Vorverdichter, der in Schubbetriebs- und Bremsphasen des Fahrzeuges in Reihe mit dem ersten Verdichter 2 zugeschaltet wird, führt dem ersten Verdichter 2 die Ansaugluft von dem Lufteinlass 10, durch die zweite Einlassleitung 10b sowie über den Luftkühler 5, den Luftkühlerleitungen 5a, 5b und die Verbindungsleitung 19 mit einem Vordruck von z.B. 0,5 bis 1,5 bar über Umgebungsdruck zu. Die Kühlung der vorverdichteten Druckluft durch den Lüftkühler 5 ist zweckmäßig, um eine Überhitzung des ersten Verdichters 2 zu vermeiden und einen effizienten Betrieb desselben zu ermöglichen.
Dabei sind das Ventil 16 geöffnet und das Ventil 17 geschlossen, während sich das Dreiwegeventil 6 in der zweiten Schaltstellung befindet, in der dem ersten Verdichter 2 nur vorverdichtete Druckluft aus dem Luftkühler 5 von dem ersten Verdichter 3 oder Vorverdichters zugeführt wird. In dieser zweiten Schaltstellung des Dreiwegeventils 6 strömt vorverdichtete und gekühlte Druckluft über den Anschluss 6b in das Dreiwegeventil 6 hinein und verlässt über den Anschluss 6c das Dreiwegeventil 6 und strömt weiter stromabwärts in den ersten Verdichters 2.
Die Anordnung des zweiten Verdichters 3 oder Vorverdichters kann im Fahrzeug relativ frei gewählt werden, da ohnehin eine Zwischenkühlung der erzeugten Druckluft zwischen dem zweiten Verdichter 3 oder Vorderdichter und dem ersten Verdichter 2 sinnvoll ist und somit die benötigte Leitungsführung den Einbauverhältnissen angepasst werden kann. Auf diese Weise kann auf diese Weise mit geringem Aufwand und ohne größere Veränderung des bestehenden Druckversorgungssystems vorteilhaft der Liefergrad des ersten Verdichters 2 bis zu einem Faktor von z.B. 2,5 gesteigert werden. Durch die frei wählbare Anordnung des zweiten Verdichters 3 im Fahrzeug kann der zweite Verdichter 3 einfach und damit vorteilhaft bei bestehenden Drucklufterzeugungseinrichtungen ohne zweiten Verdichter 3 nachgerüstet werden
Der erste Verdichter 2 kann, falls erforderlich, auch ohne Vorverdichtung durch den zweiten Verdichter 3 oder Vorverdichter Druckluft erzeugen. Dazu wird die zu verdichtende Luft dem ersten Verdichter 2 über den Lufteinlass 10, die erste Einlassleitung 10a und dem Dreiwegeventil 6 zugeführt. Das Dreiwegeventil 6 befindet sich in diesem Fall in der ersten Schaltstellung, in der dem ersten Verdichter 2 nur unverdichtete Umgebungsluft über den Lufteinlass 10 zugeführt wird. In dieser ersten Schaltstellung strömt dementsprechend unverdichtete Umgebungsluft über den Anschluss 6a in das Dreiwegeventil 6 hinein und verlässt über den Anschluss 6c das Dreiwegeventil 6 und strömt weiter stromabwärts in den ersten Verdichter 2. Im normalen Fahrbetrieb ist dieser Ansaugweg frei.
Wenn die Druckluftspeicher gefüllt sind, wird der erste Verdichter 2 durch seine übliche Leistungsregelung abgeregelt, so dass auch bei laufendem ersten Verdichter 2 nur eine minimale Leistungsaufnahme des ersten Verdichters 2 entsteht.
In den Verzögerungsphasen des Fahrzeugs wird der zweite Verdichter 3 oder Vorverdichter über die elektrische/elektronische Steuereinrichtung 15 zugeschaltet. Durch den entstehenden Vordruck des zweiten Verdichters 3 oder Vorverdichters wird in dem Dreiwegeventil 6 der freie Ansaugweg, d.h. der Weg über den Anschluss 6a und 6c verschlossen und gleichzeitig die Luftzufuhr vom zweiten Verdichter 3 oder Vorverdichter zum ersten Verdichter 2 als Luftpfad von Anschluss 6b zu Anschluss 6c geöffnet. Mit anderen Worten, das Dreiwegeventil 6 schaltet selbsttätig von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand um.
Im Falle eines außergewöhnlich hohen Druckluftbedarfes im Fahrzeug kann der zweite Verdichter 3 oder Vorverdichter auch im normalen Fahrbetrieb zur Leistungssteigerung eingesetzt werden.
Eine weitere vorteilhafte Funktion des zweiten Verdichters 3 oder Vorverdichters ist eine Kompensation eines sogenannten „Turbolochs“, das bei Verbrennungsmotoren mit Abgasturbolader 27 dann auftritt, wenn der Abgasstrom im Bereich niedriger Motordrehzahlen noch relativ klein ist, so dass die Drehzahl der Abgasturbine 26 des Abgasturboladers 27 noch nicht ausreicht, um im Verdichter 25 des Abgastuboladers 27 genügend Druckluft zu erzeugen. Dementsprechend ist der erzeugte Druckluftstrom in solchen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors noch zu klein, um eine erwünschte Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors zu bewirken. Ein Fahrer eines solchen Fahrzeugs bemerkt das „Turboloch“ durch eine signifikant verzögerte Beschleunigung des Fahrzeugs trotz Betätigen des Gaspedals.
In solchen Betriebsphasen des Verbrennungsmotors ist ein kombinierter Betrieb vorgesehen. Der zweite Verdichter 3 steht dazu entweder in einer Wirkverbindung mit dem Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 in einer oben beschriebenen Reihenschaltung oder in einer oben beschriebenen Parallelschaltung. Unter dem „kombinierten“ Betrieb ist ein Betriebszustand zu verstehen, in welchem der zweite Verdichter 3 Luft aus dem Lufteinlass 10 über die zweite Einlassleitung 10b ansaugt und verdichtet, wobei die verdichtete Luft in Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs vorteilhaft zur Erhöhung des Ladeluftdruckes des Abgasturboladers 27 eingesetzt wird, wodurch das „Turboloch“ entweder vollständig unterbunden oder zumindest weitestgegehend kompensiert wird.
Dazu wird der der Abgasturbine 26 des Abgasturboladers zufließende Abgasstrom AS sensiert. Sofern durch eine Auswertelogik der Steuereinrichtung 15 oder einer Steuereinrichtung des Verbrennungsmotors, mit der die Sensierung in Wirkverbindung steht, ein zu geringer Abgasstrom AS festgestellt wird wird, wird die Verbindungsleitung 19 in Richtung des Anschlusses 6b des Dreiwegeventils 6 durch die Steuereinrichtung 15 und dementsprechend durch das Ventil 16 geschlossen und der zweite Verdichter 3 durch den Elektromotor gestartet, so dass die vorverdichtete und durch den Luftkühler 5 gekühlte Druckluft in Richtung des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 oder in dem parallelen Betrieb in die Saugleitung 20b strömt. Dazu ist das Ventil 17 durch die Steuereinrichtung 15 geöffnet. Das Ventil 17 ist dann bei der Reihenschaltung stromabwärts in Richtung des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 hinter dem Mündungspunkt des zweiten Abschnitts der Luftkühlerleitung 5b in der Verbindungsleitung 19 oder in der Parallelschaltung stromabwärts hinter dem Rückschlagventil 20a hinter dem Auslass des Verdichters 25 des Abgasturboladers 27 angeordnet.
Durch den vorverdichteten Druckluftstrom wird das Ventil 18 geöffnet, so dass die vorverdichtete Luft dem Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 zuströmt oder in die Saugleitung 20b einströmt und den in einer solchen Betriebsphase des Verbrennungsmotors fehlenden Volumenstrom zur Leistungssteigerung des Verbrennungsmotors zumindest zum Teil kompensiert. Das Ventil 18 funktioniert dementsprechend als Rückschlagventil und ist hier als Sitzventil gestaltet.
Wenn ein genügend großer Abgasstrom der Abgasturbine 26 des Abgasturboladers 27 zuströmt, wird der Elektromotor 4 des zweiten Verdichters 3 abgeschaltet. Gleichzeitig wird das Ventil 17 durch die Steuereinrichtung 15 geschlossen und das Ventil 16 durch die Steuereinrichtung 15 geöffnet.
In einer Verzögerungsphase des Fahrzeugs ist ebenfalls ein kombinierter Betrieb vorgesehen. Dementsprechend wird der zweite Verdichter 3 in Verzögerungsphasen des Fahrzeugs zur Vorverdichtung von Luft, die dem ersten Verdichter 2 zugeführt wird, eingesetzt.
Die Drucklufterzeugungseinrichtung 1 weist somit drei Betriebszustände auf.
In einem ersten Betriebszustand wird Luft von dem ersten Verdichter 2 über den ersten Luftpfad angesaugt, Druckluft von dem ersten Verdichter erzeugt und gespeichert bzw. wird der erste Verdichter bei vollem Speicher abgeregelt oder auf Nullförderung geschaltet. Das Dreiwegeventil 6 steht in der ersten Schaltstellung, das Ventil 16 ist geschlossen, das Ventil 17 ist geschlossen, der zweite Verdichter 3 ist ausgeschaltet.
In einem zweiten Betriebszustand wird von dem nun eingeschalteten zweiten Verdichter 3 vorverdichtete Luft über den zweiten Luftpfad an den ersten Verdichter 2 geliefert, welcher die vorverdichtete Luft weiterverdichtet, die dann gespeichert wird. Das Dreiwegeventil 6 steht in der zweiten Schaltstellung, das Ventil 16 ist geöffnet, das Ventil 17 ist geschlossen.
In einem dritten Betriebszustand wird der erste Verdichter 2 wie im ersten Betriebszustand betrieben. Dabei steht das Dreiwegeventil 6 in der ersten Schaltstellung, das Ventil 16 ist geschlossen. Der zweite Verdichter 3 ist jedoch eingeschaltet und liefert verdichtete Luft, mit welcher die Verbindungsleitung 19 beaufschlagt wird. Das Ventil 17 ist jetzt geöffnet und die verdichtete Luft des zweiten Verdichters 3 wird dem Verdichter 25 des Abgasturboladers 27 zugeführt.
Bezugszeichenliste

1: Drucklufterzeugungseinrichtung
2: Erster Verdichter
2a: Verdichteransaugleitung
2b: Druckleitung
3: zweiter Verdichter
4: Elektromotor
5: Luftkühler
5a: Luftkühlerleitung
5b: Luftkühlerleitung
6: Dreiwegeventil
6a, 6b, 6c: Anschluss
7: Lufttrockner
7a, 7b: Lufttrocknerverbindungsleitung
8: Regenerationsluftbehälter
9: Mehrkreis-Schutzventil
10: Lufteinlass
10a: Erste Einlassleitung
10b: Zweite Einlassleitung
11: Verdichterzylinder
12: Verdichterkolben
13, 14: Kurve
15: Steuereinrichtung
16, 17, 18: Ventil
19: Verbindungsleitung
20: Ansaugleitung
20a: Rückschlagventil
20b: Saugleitung
21: Anschluss
22: Anschluss
23: Anschluss
24: Anschluss
25: Verdichter
26: Abgasturbine
27: Abgasturbolader
AS: Abgasstrom
LE: Lufteinlass
P: Druck
P_e: Enddruck
P_v: Vorverdichtungsdruck
P_u: Umgebungsdruck
V: Volumen
V_R1: Rückexpansionsvolumen bei Saugbetrieb
V_R2: Rückexpansionsvolumen mit Vordruck
ΔV_R: Rückexpansionsvolumen
V_H: Hubvolumen
V_T: Totvolumen (Schadraum)
VL: Verdichtete Luft
U_T: Unterer Totpunkt
O_T: Oberer Totpunkt

Claims

Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einem Abgasturbolader (27) sowie einer Drucklufterzeugungseinrichtung (1) für ein Fahrzeug, zur Erzeugung von Druckluft, aufweisend: a) einen ersten Verdichter (2), und b) einen zweiten Verdichter (3), der als Vorverdichter für den ersten Verdichter (2) ausgelegt ist, wobei der zweite Verdichter (3) mit einem Verdichter (25) eines Abgasturboladers (27) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs in Wirkverbindung steht, wobei der erste Verdichter (2) in einem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit einem Lufteinlass (10) verbunden ist, und in einem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem zweiten Verdichter (3) verbunden ist, wobei die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) ein Dreiwegeventil (6) aufweist, welches den ersten Verdichter (2) in dem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem Lufteinlass (10) verbindet, und in dem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem zweiten Verdichter (3) verbindet, wobei das Dreiwegeventil (6) mit einem ersten Eingangsanschluss (6a) mit dem Lufteinlass (10), mit einem zweiten Eingangsanschluss (6b) mit dem zweiten Verdichter (3) und mit einem Ausgangsanschluss (6c) mit einem Einlass des ersten Verdichters (2) verbunden ist, wobei die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) Ventile (16, 17), welche den zweiten Verdichter (3) in dem dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem Verdichter (25) des Abgasturboladers (27) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit der Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbinden, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (3) durch einen Elektromotor (4) angetrieben ist und über ein erstes Ventil (16) mit dem zweiten Eingangsanschluss (6b) des Dreiwegeventils (6) und über ein zweites Ventil (17) und ein Rückschlagventil (18) mit einer Ansaugleitung (20) des Verdichters (25) des Abgasturboladers (27) oder der Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (2) durch einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs angetrieben ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreiwegeventil (6) als Sitzventil ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (3) als Turboverdichter ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (3) als Radialverdichter ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (2) als Kolbenverdichter ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) einen Lüftkühler (5) aufweist, welcher stromabwärts hinter dem zweiten Verdichter (3) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) einen Lufttrockner (7) aufweist, welcher stromabwärts von dem ersten Verdichter (2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) eine Steuereinrichtung (15) aufweist, durch welche die Drucklufterzeugungseinrichtung (1) gesteuert wird.
Anordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Verbrennungsmotors mit dem Abgasturbolader (27) sowie der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) für ein Nutzfahrzeug vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Drucklufterzeugungseinrichtung (1) einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anordnung einen Abgasturbolader (27) mit einer Abgasturbine (26) sowie mit einem Verdichter (25), einen ersten Verdichter (2) und einen zweiten Verdichter (3), welcher durch einen Elektromotor (4) angetrieben ist, aufweist, mit folgenden Verfahrensschritten: (S1) Verbinden des ersten Verdichters (2) in einem ersten und dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit einem Lufteinlass (10) und Verdichten von angesaugter Luft und Speichern der verdichteten Luft; (S2) Verbinden des ersten Verdichters (2) in einem zweiten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem zweiten Verdichter (3) und Einschalten des zweiten Verdichters (3) zum Vorverdichten von Luft für den ersten Verdichter (2); und (S3) Verbinden des zweiten Verdichters (3) in dem dritten Betriebszustand der Drucklufterzeugungseinrichtung (1) mit dem Verdichter (25) des Abgasturboladers (27) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S3) die Steuereinrichtung (15) das erste Ventil (16) schließt, das zweite Ventil (17) öffnet und den zweiten Verdichter (3) einschaltet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S1) die Steuereinrichtung (15) das erste Ventil (16) schließt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S2) die Steuereinrichtung (15) das erste Ventil (16) öffnet, das zweite Ventil (17) schließt und den zweiten Verdichter (3) einschaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Verfahrensschritt (S3) ein Sensieren eines Abgasstroms vor der Abgasturbine (26) des Abgasturboladers (27) und Auswerten der erfassten Daten erfolgt, und wobei im Falle eines zu geringen Abgasstroms das Verbinden des zweiten Verdichters (3) mit dem Verdichter (25) des Abgasturboladers (27) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs oder mit einer Saugleitung (20b) des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs durch die Steuereinrichtung (15) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschalten des Elektromotors (4) des zweiten Verdichters (3) durch die Steuereinrichtung (15) erfolgt, nachdem ein ausreichend großer Abgasstrom vor der Abgasturbine (26) des Abgasturboladers (27) sensiert wurde, wonach ein gleichzeitiges Schließen des Ventils (17) und Öffnen des Ventils (16) durch die Steuereinrichtung (15) erfolgt.